(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電容量式圧力センサと、電源である電池と、前記静電容量式圧力センサによってガス圧を検出するガス設備と、前記ガス設備内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によって前記ガス設備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、前記静電容量式圧力センサは、ケースと、前記ケースの端部に設けた押え板と、前記ケースと前記押え板とで形成される空間内に組み込まれたセンサ素子とを有し、前記センサ素子が、第一の電極が表面に形成され電気絶縁性弾性材料からなるダイアフラムと、第二の電極が表面に形成され電気絶縁性材料であってかつ前記ダイアフラムより大面積の固定平板と、前記固定平板に設けた大気導入孔と、前記第一の電極と前記第二の電極の外周に形成され前記固定平板と前記ダイアフラムとを接着する接着層と、前記固定平板に形成され前記接着層の外側に設けかつ導電性を備えたスルーホールと、前記第一の電極と前記スルーホールとの電気的接続をする第一のリード部と、前記第二の電極と前記スルーホールとの電気的接続をする第二のリード部と、前記ケースと前記固定平板との間に設けられたシール材とを備え、前記シール材が前記スルーホールの内側の位置で前記固定平板に接し、前記ケースと前記押え板と前記シール材とで前記センサ素子を前記ケース内に気密封止して組み込んだガス異常監視装置。
【請求項２】
ガス設備の内部にガス圧を所定の圧力に調整する圧力調整手段を備えた請求項１記載のガス異常監視装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は圧力変化をダイアフラムに設けられた電極の静電容量変化に変換し、さらに電気的出力に変換する小型・高性能の静電容量式圧力センサを用いた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否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）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】
圧力センサが組み込まれるこれらの装置は、低温（−３０℃）から高温（７０℃）の温度や高湿度（９５％ＲＨ）や結露等の過酷な雰囲気に暴露されるので、長期間（約１０年間）にわたって電池で駆動することができ、その間センサ特性が変動しないことが要求される。
【０００４】
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５９−１４８８４１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６を参照しながら説明する。図６に示すように、センサ素子は電極１、２を形成した基板３とダイアフラム４との間には接着ガラス５でダイアフラム４を基板３に接着固定するように構成され、押え板６と封止材７を介してケース８に装着されている。９はこのセンサ素子の静電容量を接続ピン１０を介して電気信号に変換する回路部である。基板３に形成した電極１は基板３に形成したスルーホール１１を経て、またダイアフラム４に形成した電極２は基板３に形成した封着ガラス５に設けられたスルーホール１１を経て接続ピン１０に接続されているが、スルーホールから異物や水分が侵入しないように、半田でスルーホールを封止している。そして大気との差圧を計測するものは、基板３に設けた大気導入孔１２で大気を導入する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来、ガスメータ及び圧力調整器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し、かつこの精度が長期間にわたって変化しない高性能・高信頼性の静電容量式圧力センサは存在していなかった。すなわち従来の静電容量式圧力センサをガス異常監視装置に用いた場合には、被測定気体と大気圧との差圧（ゲージ圧）を検知するために、大気導入のための大気導入孔があるが、電極を外部に取り出すためのスルーホールをセンサ内部に設けると、大気導入孔及びスルーホールのような通気口が複数あることによって、水分を含んだ気体の出入りが極めて容易に起こる。大気導入孔またはスルーホールから大気中の水分が電極間に拡散侵入すると、電極間の容量が変化したり、対向した電極間の微小なギャップで結露すると異常な特性を示すといった現象があり、長期間にわたって圧力センサの精度を確保するのが難しいという課題があった。
【０００６】
またガス異常監視装置でガス設備内のガス漏れ等の異常を検知する方法として、ガス漏れがあると、ガスの圧力が徐々に低下するので、そのガス圧低下を監視してガス圧の低下量が所定の値より大きければガス設備にガス漏れ等の異常が起こっていると判断する方法がある。この場合圧力センサの精度が低いとガス圧の低下量を大きくする（＝長時間圧力低下を監視する）必要があるので、圧力測定及び正常・異常の判定時間が長くなりガス漏れの際にただちに対応できないという課題があった。
【０００７】
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時、圧力測定及び正常・異常の判定時間が長くする必要があり、圧力センサが測定している間に圧力センサが消費する消費電力が大きくなって電池の消耗が早いという課題があった。
【０００８】
そして長期間動作させている間に圧力センサの特性が変動すると、定期的に圧力センサの特性を校正・調整する必要があるので、圧力センサの校正・調整に多大の労力とコストがかかり、ガス異常監視装置が非常に高価になるという課題があった。
【０００９】
本発明は、このような従来の課題を解決するもので、静電容量式圧力センサの精度を向上し、長期間の信頼性を確保して、定期的な圧力センサの校正・調整を不要にすることを第１の目的としたものである。
【００１０】
また第２の目的は、静電容量式圧力センサの精度を向上し、ガス異常監視装置のガス設備のガス漏れ等の異常を判定する時間を短縮することである。
【００１１】
また第３の目的は、静電容量式圧力センサの精度を向上して、圧力センサの動作時間を短くして電池の消耗を抑制し、少ない電池で駆動させてガス異常監視装置の小型化と低コスト化を実現することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、静電容量式圧力センサと、電源である電池と、前記静電容量式圧力センサによってガス圧を検出するガス設備と、前記ガス設備内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によって前記ガス設備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、前記静電容量式圧力センサは、ケースと、前記ケースの端部に設けた押え板と、前記ケースと前記押え板とで形成される空間内に組み込まれたセンサ素子とを有し、前記センサ素子が、第一の電極が表面に形成され電気絶縁性弾性材料からなるダイアフラムと、第二の電極が表面に形成され電気絶縁性材料であってかつ前記ダイアフラムより大面積の固定平板と、前記固定平板に設けた大気導入孔と、前記第一の電極と前記第二の電極の外周に形成され前記固定平板と前記ダイアフラムとを接着する接着層と、前記固定平板に形成され前記接着層の外側に設けかつ導電性を備えたスルーホールと、前記第一の電極と前記スルーホールとの電気的接続をする第一のリード部と、前記第二の電極と前記スルーホールとの電気的接続をする第二のリード部と、前記ケースと前記固定平板との間に設けられたシール材とを備え、前記シール材が前記スルーホールの内側の位置で前記固定平板に接し、前記ケースと前記押え板と前記シール材とで前記センサ素子を前記ケース内に気密封止して組み込んだものである。
【００１３】
【作用】
本発明は上記構成によって下記の作用を有する。すなわち本発明の静電容量式圧力センサにおいて、電極からのリードに接続されたスルーホールを接着層より外側でありかつシール材よりも外側に設けることによって、基板において接着層の内側での貫通口は大気導入孔だけになるので大気の水分によるセンサ特性の変動が受けにくく、また半田でのスルーホールの封止作業が不必要であるので、センサ精度の向上、長期間の信頼性の確保、かつ製造コストの低減が可能になる。
【００１４】
したがって、ガス異常監視装置において、上記構成の静電容量式圧力センサを用いることによって、ガス設備の異常の判定時間を短縮し、また圧力センサの動作時間を短くして電池の消耗を抑制し、さらに定期的な圧力センサの校正・調整を不要にする。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の第１の実施例を図１を参照しながら説明する。
【００１６】
図１において、静電容量式圧力センサ５１は、ケース３２と、ケース３２の端部に設けた押え板３１と、ケース３２と押え板３１とで形成される空間内に組み込まれたセンサ素子とを有している。そして、センサ素子は、表面に第一の電極（例えば金属薄膜）２１が形成された電気絶縁性弾性材料（例えばアルミナ、厚み１３０μｍ）からなるダイアフラム２３と、第二の電極（例えば金属薄膜）２２が表面に形成された電気絶縁性材料（例えばアルミナ）の固定平板２４とが、第一の電極２１と第二の電極２２との周縁部に形成した接着層２５（例えばガラスフリット）を介して、第一の電極２１と第二の電極２２とが対向配置した状態で、接合されている。第一の電極２１および第二の電極２２にはそれぞれ電気的引き出しを行う第一のリード２６Ａ（例えば金属薄膜で厚みが０．３μｍ）および第二のリード２６Ｂ（例えば金属薄膜で厚みが０．３μｍ）とが接続されており、第一のリード２６Ａは接着層２５の外表面を伝うように配線され、スルーホール２８、第一のリード２６Ａを経て接続ピン３０に接続される。スルーホール２８は固定平板２４において接着層２５より外側であるとともにシール材３３より外側の位置に設けられ、その内部には導体が形成されて、電気的接続を可能にしている。同様に第一の電極２１は第二のリード２６Ｂ、スルーホール２８、第二のリード２６Ｂを経て接続ピン３０に接続される。さらに、接続ピン２０は、静電容量を電気信号に変換する回路部（たとえば静電容量を電圧出力に変換する回路）２７に接続され、非直線性補正及び利得、オフセット調整を施して所定の出力をえる。固定平板２４には、大気導入孔２９が設けられ、大気との差圧を計測するよう、ダイアフラム２３、固定平板２４、及び接着層２５で形成された空間内に大気を導入する。センサ素子はシール材（例えばＯリングあるいは接着剤）３３と押え板３１によって気密封止してケース３２に組み込まれている。
【００１７】
本発明の静電容量式圧力センサを、温度−３０〜＋７０℃、湿度９０％ＲＨ、圧力０〜５００ｍｍＨ２Ｏの条件で測定すると、出力電圧０〜１．５Ｖ、精度０．５％フルスケール（２．５ｍｍＨ２Ｏ）であった。また高温高湿試験（温度６０℃、湿度９５％ＲＨ、１０００時間）とサイクル試験（温度７０℃＊１時間保持、温度−３０℃＊１時間保持を１サイクルとしトータル５００サイクル）を行った後、センサの特性に変動がなかった。
【００１８】
次に、本発明の第２の実施例を図１、図２および図３を参照しながら説明する。
【００１９】
図２において、４２は圧力調整器、４３はガス異常監視装置、４４はガス設備である。ガス異常監視装置４３は、実施例１で説明した静電容量式圧力センサ５１と流量検出手段５２（例えば流量計）と判定手段５３（例えばマイコン）と動作手段５４（例えば遮断弁）とで構成されている。
【００２０】
また図３において、ガスの漏洩検出は、動作手段５４（例えば遮断弁）を動作して、ガス設備４４を使用していない時の流量及び圧力変動の有無を流量検出手段５２及び静電容量式圧力センサ５１で検出し、判定手段５３で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静電容量式圧力センサ５１でモニターし、マイコン等の判定手段５３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、動作手段５４（遮断弁）を動作させる。また判定手段５３がガス漏洩がないと判定したときは再び動作手段５４と静電容量式圧力センサ５１と流量検出手段５２とを動作させてガス設備４４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。
【００２１】
第１の実施例で説明した静電容量式圧力センサ５１をガス異常監視装置４３に組み込み、ガス配管からわずかな漏れがあるように疑似的に作製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４４の実際のガス圧が２００ｍｍＨ２Ｏ（別の基準の圧力センサで測定）であったものを、ガス設備４４のコックと動作手段５４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４３とガス設備４４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、ガス配管からのわずかな漏れの有無を短時間で検知することができた。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、ガス異常監視装置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。さらに寒冷地及び高温多湿地で実地テストを行った結果、同様に１０年間以上正常に動作し、定期的な圧力センサの校正を必要としなかったのでランニングコストを低減することができた。
【００２２】
次に、本発明の第３の実施例を図１、図４および図５を参照しながら説明する。
【００２３】
図４において、４１はガス供給源、４３はガス異常監視装置、４４はガス設備である。ガス異常監視装置４３は、圧力調整手段５０、実施例１で説明した静電容量式圧力センサ５１と流量検出手段５２（例えば流量計）と判定手段５３（例えばマイコン）と動作手段５４（例えば遮断弁）とで構成されている。
【００２４】
また図５において、本装置がスタートしている状態では、ガス供給源４１から供給され圧力調整手段５０で調圧されたガス圧は静電容量式圧力センサ５１で測定され（ステップ１）、流量検出手段５２で流量を測定してガス流量があることを確認して（ステップ２）、通常のガスの使用パターンをマイコン等の判定手段５３に記憶させる。ガス圧と流量の変化を静電容量式圧力センサ５１及び流量検出手段５２で絶えずモニターし、通常のガスの使用パターンとは異なったガス圧と流量が検知されると、それらの値が所定の値より大きければ、ガス異常監視装置４３の圧力調整手段５０に異常ありと判定手段５３が判断する（ステップ３）。ガス設備に異常ありと判断すると、動作手段５４（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４）。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、再び圧力測定動作（ステップ１）に戻り、継続して測定・判定を行うことにより、ガス異常監視装置４３の圧力調整手段５０の長期間の変化をモニターする。
【００２５】
図４において第１の実施例と同じ静電容量式圧力センサ５１を用いた場合、圧力調整手段５０による調整圧が３１５ｍｍＨ２Ｏ（別の基準の圧力センサで測定）であったものを、５ｍｍＨ２Ｏ以下の精度で測定でき、調整圧に異常がないことを約３０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、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。また高温高湿試験（温度６０℃、湿度９５％ＲＨ、１０００時間）とサイクル試験（温度７０℃＊１時間保持、温度−３０℃＊１時間保持を１サイクルとしトータル５００サイクル）を行った後も、正常に動作した。さらに寒冷地及び高温多湿地で実地テストを行った結果、同様に１０年間以上正常に動作し、定期的な圧力センサの校正を必要としなかったのでランニングコストを低減することができた。
【００２６】
次に比較例として、従来の静電容量式圧力センサを用いたガス異常監視装置について図６を用いて説明する。
【００２７】
セラミックからなる固定基板３及びダイアフラム４を用意し、固定基板３とダイアフラム４に第一の電極１と第二の電極２としてそれぞれ金レジネートをスクリーン印刷法で形成後、脱脂・焼成して作製した。固定基板とほとんど同じ熱膨張係数をもつ低融点のガラスフリットを印刷して固定基板３に接着層５を形成し、第一の電極１と第二の電極２とが対向するように配置した状態で、加熱荷重成形を行って、接着層５を介して固定基板２とダイアフラム１とを一体接合し、半田を埋め込んだスルーホール１１に接続ピン１０を接続して回路９と結合させたセンサを作製した。高温高湿試験を１００時間行うと、初期容量が５３．４８６ｐＦであったものが、５４．２２４ｐＦと大きく変化した。また初期容量が５４．９８４ｐＦであったセンサを、温度７０℃を１時間保持し、温度−３０℃を１時間保持するのを１サイクルとするサイクル試験を１００回繰り返すと、５５．９３１ｐＦと大きく変化した。０〜５００ｍｍＨ２Ｏの圧力を測定すると、４％フルスケール（２０ｍｍＨ２Ｏ）の精度でしか検知できなかった。
【００２８】
そして第２の実施例と同じガス異常監視装置にこの静電容量式圧力センサを組み込んだ場合、同様の高温高湿試験（温度６０℃、湿度９５％ＲＨ、１０００時間）とサイクル試験（温度７０℃＊１時間保持、温度−３０℃＊１時間保持を１サイクルとしトータル５００サイクル）を行った後、圧力調整器の実際の調整圧が３１５ｍｍＨ２Ｏ（別の基準の圧力センサで測定）であり正常であるにも関わらず圧力調整手段が異常であると判断した。また寒冷地及び高温多湿地で実地テストを行った結果、約５年経過したときに異常な動作をした。
【００２９】
なお本発明の静電容量式圧力センサおよび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、電極等）、センサの構造（径、電極パターン、厚み、ギャップ、ダイアフラム、ケース等）、回路構成、測定圧力、各種信頼性試験方法、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。
【００３０】
また静電容量式圧力センサのリード部は、実施例では厚みが０．３μｍの金属薄膜を用いたものについて説明したが、本実施例に限定されるものではない。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から明かなように、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。
【００３２】
本発明の静電容量式圧力センサにおいて、電極からのリードに接続されたスルーホールを接着層より外側でありかつシール材よりも外側に設けることによって、基板において接着層の内側での貫通口は大気導入孔だけになるので大気中の水分によるセンサ特性の変動が受けにくく、また半田でのスルーホールの封止作業が不必要であるので、センサ精度の向上、長期間の信頼性の確保、かつ製造コストの低減が可能になる。
【００３３】
したがって、ガス異常監視装置において、上記構成の静電容量式圧力センサを用いることによって、ガス設備の異常の判定時間を短縮し、また圧力センサの動作時間を短くして電池の消耗を抑制し、さらに定期的な圧力センサの校正・調整を不要にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の静電容量式圧力センサの断面図
【図２】本発明の第２の実施例のガス異常監視装置を示すブロック図
【図３】同装置のフローチャート
【図４】本発明の第３の実施例の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】従来の静電容量式圧力センサの断面図
【符号の説明】
２１  第一の電極
２２  第二の電極
２３  ダイアフラム
２４  固定平板
２５  接着層
２６Ａ  第一のリード部
２６Ｂ  第二のリード部
２７  回路部
２８  スルーホール
３３  シール材
４２  圧力調整器
４３  ガス異常監視装置
４４  ガス設備
５０  圧力調整手段
５１  静電容量式圧力センサ
５２  流量検出手段
５３  判定手段
５４  動作手段
【図１】
0003627302.tif 000002
【図２】
0003627302.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003627302.tif 000005
【図５】
0003627302.tif 000006
【図６】
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