(57)【要約】【課題】  安価に製造可能で測定精度の優れた静電容量式センサを提供する。【解決手段】  実効領域２８に増厚層３２が固着されることによってその剛性が高められていることから、ダイアフラム１２は、専らその周縁部３４が変形させられ、実効領域２８内では略平坦に保たれる。しかも、周縁部３４は、ダイアフラム１２と同心に形成されているので、ダイアフラム１２の中心から同一距離の位置における変形量が一様になる。そのため、ダイアフラム１２の実効領域２８およびこれに固着された可動側電極２６は、固定側電極２４との平行を保ったままこれから離隔させられるので、その圧力変化に対する静電容量変化の直線性が高められる。【選択図】                    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平坦な可動側対向面を有する薄板状のダイアフラムと、平坦な固定側対向面を有する固定部材とを備えると共に、それら可動側対向面および固定側対向面にそれぞれ可動側電極および固定側電極を備え、それら可動側電極および固定側電極が互いに平行且つ所定距離隔てて対向するように前記ダイアフラムがその周縁部において前記固定部材に固着されることにより、そのダイアフラムのその固着部分よりも内周側の変形領域における撓み変形に伴って変化する前記可動側電極および固定側電極の相互間隔の変化に基づいて力学量を検出する形式の静電容量式センサであって、
前記ダイアフラムの変形領域のうち中央部の所定範囲にそのダイアフラムの構成材料とは異なる材料から成る増厚層が固着されたことを特徴とする静電容量式センサ。
【請求項２】
前記増厚層は、前記ダイアフラムの厚さ寸法の0.05倍以上の厚さ寸法を備えたものである請求項１の静電容量式センサ。
【請求項３】
前記増厚層は、前記ダイアフラムの構成材料と同等以上の剛性を有する材料から成るものである請求項１の静電容量式センサ。
【請求項４】
平坦な可動側対向面を有する薄板状のダイアフラムと、平坦な固定側対向面を有する固定部材とを備えると共に、それら可動側対向面および固定側対向面にそれぞれ可動側電極および固定側電極を備え、それら可動側電極および固定側電極が互いに平行且つ所定距離隔てて対向するように前記ダイアフラムがその周縁部において前記固定部材に固着されることにより、そのダイアフラムのその固着部分よりも内周側の変形領域における撓み変形に伴って変化する前記可動側電極および固定側電極の相互間隔の変化に基づいて力学量を検出する形式の静電容量式センサであって、
前記可動側電極が前記ダイアフラムの厚さ寸法の1/5以上の厚さ寸法で設けられたことを特徴とする静電容量式センサ。
【請求項５】
平坦な可動側対向面を有する薄板状のダイアフラムと、平坦な固定側対向面を有する固定部材とを備えると共に、それら可動側対向面および固定側対向面にそれぞれ可動側電極および固定側電極を備え、前記ダイアフラムがその周縁部において前記固定部材に固着されることにより、そのダイアフラムのその固着部分よりも内周側の変形領域における撓み変形に伴って変化する前記可動側電極および固定側電極の相互間隔の変化に基づいて力学量を検出する形式の静電容量式センサであって、
前記ダイアフラムの非変形時における前記可動側電極および固定側電極の相互間隔がそのダイアフラムの中央部から周縁部に向かうに従って大きくまたは小さくなるように変化させられたことを特徴とする静電容量式センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄板状のダイヤフラムの変形に伴って変化する静電容量の変化に基づいて力学量を検出する静電容量式センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
適当な相互間隔を以て配置された薄板状のダイアフラムおよび固定部材の互いに平行な対向面に可動側電極および固定側電極がそれぞれ備えられ、そのダイヤフラムの専ら厚み方向における変形(或いは変位)に伴う可動側電極および固定側電極間の静電容量変化を検出し、これを電気信号に変換して出力する形式の静電容量式センサが知られている(例えば、特許文献１〜４等を参照)。このような静電容量式センサは、例えば、圧力や加速度等の力学量を検出するための圧力センサや加速度センサ等に利用されている。
【０００３】
上記の静電容量式センサにおいて、ダイアフラムは、その周縁部が固定部材に固定されており、それよりも内周側の部分(以下、自由変形領域という)が圧力等に応じて撓み変形させられる。このとき、ダイアフラムの自由変形領域が圧力等に応じた曲率を以て湾曲させられ延いては可動側電極が湾曲させられるので、可動側電極と固定側電極との平行が保たれず、それらの相互間隔が電極の中心から外周に向かうほど増大する不均一な状態になることに起因して、圧力変化等に応じた変形量と出力との関係の直線性が保たれない問題がある。この結果、変形量が大きくなる領域では、測定精度を得ることが困難となる。
【０００４】
これに対して、測定精度を得る目的で、補正回路を設けることも行われているが、精度を高めるほどセンサ価格が上昇することになる。また、電極を設けた領域(以下、実効領域という)の自由変形領域に対する大きさの割合を、湾曲を無視できる程度まで小さくすることも考えられるが、実効領域を小さくするほど静電容量が小さくなって配線等の浮遊容量に対するＳ／Ｎ比が低下するため、測定精度を得るためには、ダイアフラムを大型化する必要があってセンサ価格が上昇する。
【０００５】
一方、前記特許文献２〜４には、ダイアフラム形状を工夫することによって直線性を高めたセンサが記載されている。例えば、特許文献２に示されたダイアフラムは、ダイアフラム中心の測圧部と周縁の固定部との間に、互いに直径が僅かに異なる２本の環状溝を両面から設けたものである。このようなダイアフラムによれば、圧力が変化すると２本の環状溝により形成された薄肉部分が専ら変形させられるので、測圧部の撓み変形が抑制され、変形量が大きくなっても可動側電極と固定側電極とが略平行に保たれることになる。
【０００６】
また、前記特許文献３に示されたセンサは、同心の多数の溝が両面に互い違いに設けられた同心波板形状のダイアフラムがその周縁部において固定され、平坦な可動側電極がその中央部においてそのダイアフラム中央の平坦部に固着されると共に、それに対向して固定側電極が設けられたものである。このセンサによれば、ダイアフラムは専らその波状部分が変形するため、その変形に拘わらず可動側電極は平坦に保たれ、延いては固定側電極との平行が保たれるとされている。
【０００７】
また、前記特許文献４に記載されたセンサは、ダイアフラムの中央に固定基板に向かう突起を設け、その突起を固定側電極に設けられた孔を通して固定基板に固定したものである。このセンサによれば、ダイアフラムの中央部が固定されていることから、その最大変位領域が環状に形成されるので、センサ出力の直線性が高められるとされている。
【特許文献１】米国特許第３７９３８８５号明細書
【特許文献２】特開昭５５−６２３３０号公報
【特許文献３】実開平６−８０１４７号公報
【特許文献４】特開平８−３２０２６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献２に記載されたダイアフラムを固定側電極との平行を保ちつつ変形させるためには、両面の溝の位置・深さ・幅を高精度で形成する必要がある。そのため、簡便なエッチングやサンド・ブラスト等では特に深さの制御が困難であることから、加工精度の高い機械加工による溝形成が必須となるので、加工コストが上昇し延いてはセンサが高価になる不都合がある。また、機械加工では量産が困難な問題もある。
【０００９】
また、上記特許文献３に記載されたセンサでは、可動側電極と固定側電極との平行を保つためには、ダイアフラム中央の平坦部と固定側電極との平行が保たれること、すなわち、そのダイアフラムの変形量がその中央部を中心とする各同心円上において一様であることが必要となる。そのため、前記同心の多数の溝を高精度で設けても、その変形量を同心円上において一様にすることが困難であることから、高い測定精度が必ずしも得られない問題がある。
【００１０】
また、上記特許文献４に記載されているセンサでは、ダイアフラムの中央部が固定されることによって可動部の幅が１／２よりも小さくなるため、固定されないダイアフラムよりも変位が小さくなり、感度やＳ／Ｎ比の低下につながる。また、中央の固定部および固定部と可動電極との隙間の大きさだけ可動電極面積が小さくなることも同様にＳ／Ｎ比を低下させる。そのため、感度やＳ／Ｎ比を高く保つためには、ダイアフラムを大きくせざるを得ないので、小型化が困難である。
【００１１】
本発明は、以上の事情を背景として為されたものであって、その目的は、安価に製造可能で小型でも測定精度の優れた静電容量式センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
斯かる目的を達成するため、第１発明の要旨とするところは、平坦な可動側対向面を有する薄板状のダイアフラムと、平坦な固定側対向面を有する固定部材とを備えると共に、それら可動側対向面および固定側対向面にそれぞれ可動側電極および固定側電極を備え、それら可動側電極および固定側電極が互いに平行且つ所定距離隔てて対向するように前記ダイアフラムがその周縁部において前記固定部材に固着されることにより、そのダイアフラムのその固着部分よりも内周側の変形領域における撓み変形に伴って変化する前記可動側電極および固定側電極の相互間隔の変化に基づいて力学量を検出する形式の静電容量式センサであって、(ａ)前記ダイアフラムの変形領域のうち中央部の所定範囲にそのダイアフラムの構成材料とは異なる材料から成る増厚層が固着されたことにある。
【００１３】
また、前記目的を達成するための第２発明の要旨とするところは、平坦な可動側対向面を有する薄板状のダイアフラムと、平坦な固定側対向面を有する固定部材とを備えると共に、それら可動側対向面および固定側対向面にそれぞれ可動側電極および固定側電極を備え、それら可動側電極および固定側電極が互いに平行且つ所定距離隔てて対向するように前記ダイアフラムがその周縁部において前記固定部材に固着されることにより、そのダイアフラムのその固着部分よりも内周側の変形領域における撓み変形に伴って変化する前記可動側電極および固定側電極の相互間隔の変化に基づいて力学量を検出する形式の静電容量式センサであって、(ａ)前記可動側電極が前記ダイアフラムの厚さ寸法の0.05倍以上の厚さ寸法で設けられたことにある。
【００１４】
また、前記目的を達成するための第３発明の要旨とするところは、平坦な可動側対向面を有する薄板状のダイアフラムと、平坦な固定側対向面を有する固定部材とを備えると共に、それら可動側対向面および固定側対向面にそれぞれ可動側電極および固定側電極を備え、前記ダイアフラムがその周縁部において前記固定部材に固着されることにより、そのダイアフラムのその固着部分よりも内周側の変形領域における撓み変形に伴って変化する前記可動側電極および固定側電極の相互間隔の変化に基づいて力学量を検出する形式の静電容量式センサであって、(ａ)前記ダイアフラムの非変形時における前記可動側電極および固定側電極の相互間隔がそのダイアフラムの中央部から周縁部に向かうに従って大きくまたは小さくなるように変化させられたことにある。
【発明の効果】
【００１５】
前記第１発明によれば、ダイアフラムの中央部の所定範囲が増厚層を設けられることによって周縁部よりも厚くされるので、その肉厚の中央部の所定範囲が相対的に変形し難く、薄い周縁部が相対的に変形し易くなる。そのため、そのダイアフラムに測定対象の力学量が作用すると、何れの変形方向の場合にも、専らその周縁部が変形させられることによって肉厚部すなわち中央部の所定範囲の撓み変形が抑制されることから、ダイアフラム上に備えられた可動側電極もその所定範囲内では略平坦に保たれ、延いては固定側電極との平行性が保たれる。このとき、ダイアフラムは、上記所定範囲とその外周側とで厚さ寸法が異なる他は可動側対向面が平坦な薄板状に構成されるので、両面から２本の環状溝を設ける場合のような高精度の機械加工を施さなくとも、同心円上における変形量の均一性を容易に確保できる。すなわち、ダイアフラムが同心波板形状に構成される場合のように同心円上における変形量の均一性の確保が困難になることもない。また、ダイアフラムの中央部は固定部材に固定されないので、実質的な電極面積や変位量が小さくなってＳ／Ｎ比や感度が低下することもない。したがって、安価に製造可能で測定精度の優れた静電容量式センサが得られる。また、増厚層はダイアフラムとは異なる材料で構成されていることから、要求特性や製造上の要求などに基づき、成膜性の良い(すなわち膜厚や寸法精度が高い或いは低温形成が可能)材料や、電極特性が良い(例えば耐蝕性が高い)材料や、金属ダイアフラム等に比較して剛性が高い材料等を適宜選択できる利点がある。
【００１６】
また、前記第２発明によれば、可動側電極がダイアフラムの厚さ寸法の1/5以上の厚さで設けられることから、その形成範囲の肉厚が増大させられて剛性が著しく高められ、電極形成範囲の外周側よりも変形し難くなる。すなわち、ダイアフラムの変形領域のうち可動側電極よりも外周側の周縁部が相対的に変形し易くなる。そのため、上記第１発明の場合と同様に、肉厚部すなわち可動側電極が備えられている範囲が略平坦に保たれ、延いては固定側電極との平行性が保たれると共に、高精度の機械加工等を施さなくとも同心円上における変形量の均一性を確保でき、実質的な電極面積や変位量が小さくなることもない。したがって、安価に製造可能で測定精度の優れた静電容量式センサが得られる。因みに、通常、可動側電極の厚さ寸法はダイアフラムの変形を妨げないようにその厚さ寸法の1/10以下であって、例えば、1(μm)以下とされている。これに対して、本願第２発明は、ダイアフラムの変形を抑制することが測定精度を向上させるために却って好ましいことを見出し、このような知見に基づいて為されたものである。
【００１７】
また、前記第３発明によれば、可動側電極および固定側電極の相互間隔が中央部から周縁部に向かうに従って大きくされている場合においては、ダイアフラムの中央部が固定部材から離隔する方向の撓み変形に伴って、一定の変形量を超えるまでは、可動側電極と固定側電極との相互間隔が一様な値に近づく。また、中央部から周縁部に向かうに従って小さくされている場合には、ダイアフラムの中央部が固定部材に接近する方向の撓み変形に伴って、一定の変形量を超えるまでは、可動側電極と固定側電極との相互間隔が一様な値に近づく。そのため、測定対象となる力学量の通常の変動幅が判っているとき、上記一定の変形量がその変動幅の中央値に対応するように、ダイアフラムの剛性や可動側電極および固定側電極の相互間隔等を設定すれば、通常の使用範囲において電極の平行性を高められ、延いては測定精度が高められる利点がある。上記のような相互間隔は、可動側電極および固定側電極の少なくとも一方の厚さ寸法を段階的または連続的に変化させることによって形成し得る。この場合、連続的に厚さ寸法を変化させることが好ましいが段階的であっても差し支えない。すなわち、この態様においては、ダイアフラムの実効領域における撓み変形が避け難いとの前提の下、一定の撓み変形量のときに実質的に電極の平行性を確保することによって測定精度が高められるのである。
【００１８】
ここで、前記第１発明において、好適には、前記増厚層は、前記ダイアフラムの厚さ寸法の0.05倍以上の厚さ寸法を備えたものである。このようにすれば、ダイアフラムの中央部の所定範囲が周縁部に対して1.05倍以上と十分に厚くされているため、その肉厚の中央部の所定範囲が相対的に一層変形し難く、薄い周縁部が相対的に一層変形し易くなる。ダイアフラムに増厚層を設けたときの全体の剛性は、ダイアフラム径Ｄと増厚層径ｄの比ｄ／Ｄが大きくなるほど、また、増厚層の構成材料の剛性が高いほど、高くなる。例えば、ｄ／Ｄ＝0.8程度の場合には、上記のような厚さ寸法で十分な効果が得られる。
【００１９】
また、前記第１発明において、好適には、前記増厚層は、前記ダイアフラムの構成材料と同等以上の剛性を有する材料から成るものである。このようにすれば、増厚層の剛性がダイアフラムの構成材料よりも低い場合に比較して、増厚層を設けた所定範囲における剛性が一層高くなる。そのため、その所定範囲の変形が一層抑制され、測定精度の一層高い静電容量式センサが得られる。
【００２０】
なお、増厚層は、絶縁体材料で構成することも、金属材料で構成することもできる。後者の場合において、増厚層を固定電極側の一面に固着する場合には、可動側電極を兼ねることもできる。
【００２１】
また、好適には、前記第１発明において、前記増厚層の厚さ寸法は、0.1(mm)以下である。このようにすれば、増厚層とダイアフラムとの熱膨張係数が著しく相違する場合に、増厚層の形成時に高温、例えば400(℃)以上の高温工程が必要となっても、冷却時の収縮差で変形、剥離、破損などの生ずることが抑制される。すなわち、増厚層の厚さ寸法が厚くなるほど、熱膨張係数の相違に起因する破損等が生じ易くなり、形成の手間も増大するので、増厚層は薄い方が好ましいのである。
【００２２】
また、前記第１発明および前記第２発明において、好適には、前記所定範囲は、固定側電極および可動側電極の備えられている範囲のうち相対的に小さい方よりも広い範囲である。このようにすれば、電極が対向させられている範囲すなわち実効領域全体に亘って、ダイアフラム変形時の平行が保たれ易くなることから、変形量に対する静電容量変化の直線性が一層高められ、測定精度が一層高められる。すなわち、厚さ寸法を増大させる所定範囲が電極形成範囲(すなわち実効領域)よりも狭くされていても直線性を改善する効果は得られるが、静電容量変化に関わる範囲全体の平坦性延いては平行性が高められることにより、一層高い効果が得られる。
【００２３】
また、前記第１発明および前記第２発明において、前記所定範囲は、平坦な可動側対向面が備えられている限りにおいて、その可動側対向面側に厚さが増大させられたものであっても、その裏面側或いは両面に厚さが増大させられたものであってもよい。すなわち、全体としてダイアフラムが固定部材側に凸形状ととなっていても、本発明の効果を享受し得る。なお、所定範囲における厚さは一様である場合に限られず、適宜厚さ分布を設けることができる。例えば、裏面側に厚さが増大させられる場合においては、可動側電極の平坦性に何ら影響しないので、比較的自由に定めることができる。但し、ダイアフラム変形時においてその平坦性や電極相互の平行を可及的に保つためには、変形領域の中心を中心とする同心円上で一様な厚さ寸法とされることが好ましい。
【００２４】
また、前記第１発明において、前記可動側電極は、ダイアフラムが金属で構成される場合には、そのダイアフラムで兼用されていても差し支えない。このようにすれば、ダイアフラムと可動側電極とを別々に形成する手間が無くなると共に、取り出し配線の形成が無用になる利点がある。
【００２５】
なお、上記態様においては、例えば、固定側電極の外周側にこれと絶縁された環状補助電極をこれに近接して設けることが好ましい。このようにすれば、ダイアフラムの全面が可動側電極として機能し得ることに起因して固定側電極よりも外周側で発生する静電容量が分離されるので、ダイアフラムの変形に拘わらず略一定に保たれる静電容量が排除され、Ｓ／Ｎ比が高められて測定精度が一層高められる利点がある。
【００２６】
また、前記第１発明および前記第２発明において、好適には、前記所定範囲は、前記変形領域の形状の相似形であってそれと中心が一致するものが好ましい。このようにすれば、その所定範囲が固定側電極との平行を一層保ったまま変位させられるので、測定精度が一層高められる。なお、相似形以外でも、例えば点対称図形では変位量の計算が容易であるため差し支えない。また、外周部に突き出す突起が設けられたダイアフラムや、外周部に孔或いは凹み等が設けられたダイアフラムにも本発明は好適に適用される。また、変形領域の形状は応力分布の一様性が高いことから円形が好ましいが、正多角形状等も好適に用いられる。
【００２７】
また、前記第１発明および前記第２発明において、好適には、前記所定範囲は、前記変形領域の直径に対して45〜85(%)の直径の範囲内である。このようにすれば、専ら変形させられる周縁部の大きさが十分な大きさで確保されることから、ダイアフラムの十分に大きい変位量が確保され、測定可能範囲が十分に広く且つ測定精度の高い静電容量式センサが得られる。なお、ダイアフラムの中央部は変形時の歪みが小さいので、45(%)以下では増厚層を設ける効果が小さく、また、小型で高感度なセンサ形成が困難である。一方、85(%)以上になると、増厚層の受ける圧力が相対的に大きくなるため、その変形が大きくなる結果として全体の歪みを小さくできなくなる。
【００２８】
また、好適には、前記ダイヤフラム式センサは、作動流体が蓄えられる圧力室と、その作動流体が出入りする流体出入口とを備え、その圧力室内の流体圧とダイヤフラム部材のその圧力室とは反対側の一面との圧力差に応じてそのダイヤフラム部材が変形させられる圧力センサである。この態様では、上記圧力室および流体出入口が力学量伝達部に相当し、伝達される力学量は流体出入口から圧力室内に導かれる流体圧である。なお、作動流体は測定対象に応じて適宜の液体および気体を用い得る。例えば、測定対象がそれら液体および気体の圧力である場合には、それらが圧力室内を出入りするように構成すればよい。また、好適には、前記ダイアフラム式センサは、重錘体に作用する加速度に応じてそのダイヤフラムが変形させられる加速度センサである。本発明は、このような圧力センサや加速度センサに好適に適用される。
【００２９】
また、前記第１発明および前記第２発明において、好適には、前記ダイアフラムは全体が平坦な薄板状を成し、固定部材の一面に金属ロウやシールガラスで固着される。このようにすれば、ダイアフラムの形成および固着延いては製造が一層容易になる利点がある。なお、上記シールガラスは、それよりも高軟化点のガラス粉末やセラミック粉末を含む固着剤であってもよい。
【００３０】
また、前記固定部材は任意に定めることができるが、例えば金属板、ガラス板、セラミックス板等が好適である。特に、この中でも固定電極や取り出し配線の形成が容易なアルミナ基板が好適である。アルミナは耐環境性に優れ、金属と比較して軽量、高強度、高剛性という利点を有する。このとき、固定電極等は、スクリーン印刷、蒸着、鍍金等を用いてAu等で形成することができる。なお、スルーホールを介して接続することにより、電極配線を固定部材の裏面側に形成することもできる。
【００３１】
また、前記ダイアフラムは、前記第１発明においては任意に定めることができるが、例えば、金属、ガラス、セラミックス等が好適である。また、前記第２発明においては、絶縁性を有する限りにおいて任意に定めることができ、例えば、ガラスやセラミックス等が好適である。但し、前記固定部材の材質を考慮することが好ましい。すなわち、固定部材とダイアフラムとは、例えばシールガラスや金属ロウを用いて気密に接合されるが、これらの材料では高温に加熱する工程が必須となるため、熱膨張係数を適合させることが必要である。例えば、固定部材とダイアフラムの熱膨張係数の差が±5×10-7(/℃)以下であることが好ましい。例えば、固定部材と同材料が好適に用いられる。
【００３２】
また、金属製ダイアフラムは、材料が安価で加工性がよいため高精度且つ低コストで作製でき、耐衝撃性に優れているため製造工程および使用中における破損が生じ難く、可動電極を兼用できるため電極形成の手間と取出し配線を省略できる利点がある。但し、固定部材がセラミックスで構成される場合には、これと熱膨張係数が近似する材料が好ましい。例えばアルミナ基板の場合には、Fe-42%Ni合金(４２合金)、Fe-Ni-Cr合金、Fe-Ni-Co合金、Ti、Ti合金、コバール、ＳＵＳ３０４、耐熱性の高いＳＵＳ３１０、耐食性の高いＳＵＳ３１６等が好適である。なお、ダイヤフラムが金属で構成される場合には、前記固定部材よりも熱膨張係数が大きいものが好適である。このようにすれば、加熱を伴う接合後の冷却過程でダイヤフラムに張力が作用することとなるので、圧力や加速度等が作用した場合の変形が一層一様になる利点がある。上記熱膨張係数の相違は、例えば、5×10-7〜100×10-7(/℃)程度が好ましい。これよりも差が小さいと十分な大きさの張力を与えることができず、大きいと変形や破損の原因になる。特に、例えば直径5(mm)程度、厚さ0.1(mm)程度以下の薄く且つ小さなダイアフラムの場合には、許容範囲が大きくなる。
【００３３】
また、薄板状のダイアフラムの前記所定範囲を厚くする方法には、各種の膜形成技術を適用し得る。例えば、スクリーン印刷等の厚膜技術、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等の薄膜技術、鍍金技術、溶射技術等を例示できる。特に、スクリーン印刷は、成膜とパターニングが同時に行われるため簡便であり、材料の選択や膜厚の適用範囲が広いため好ましい。
【００３４】
例えば、スクリーン印刷による場合には、ダイアフラムを構成するためのアルミナ等から成る基板に、各種の粉体材料と基板への固着成分をビヒクルと共に混練したインクを用いてスクリーン印刷を施す。塗布膜を乾燥した後、加熱処理を施すことによりその塗布膜から生成された増厚層が基板に固着して一体化され、ダイアフラムに肉厚部が設けられる。１回の印刷で必要な厚みが確保されない場合には乾燥および印刷が繰り返されることにより増厚層が積層される。このとき、各層の印刷パターンは同一としてもよいが、形成しようとする増厚層の形状に応じて大きさを変えてもよい。印刷パターンを適宜変更することにより、所望の測定精度が得られるようにダイアフラムの変形範囲や撓みの大きさ等を制御できる。インクを構成する上記粉体材料は、セラミックス、ガラス、金属、プラスティック等或いはこれらの混合物の中から、所望とする材料特性に応じて選択される。
【００３５】
また、膜形成技術の他、増厚層構成部材を別途製造して、基板等に適宜の固着材料で接合してもよい。接合には種々の固着方法を適用できるが、信頼性の高いシールガラスや金属ロウを用いる方法が好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。
【００３７】
図１は、本発明の一実施例の静電容量型圧力センサ１０の構造を模式的に示す断面図である。図１において、圧力センサ１０は、全体が円板状を成すものであって、その円板状のダイアフラム１２は、円環状に形成された接合層１４によって円板状の固定板１８上に固着されている。また、固定板１８およびダイアフラム１２の相対する内面２０，２２には、互いに対向する例えば円形の固定側電極２４および可動側電極２６が、それら固定板１８およびダイアフラム１２と同心にそれぞれ固着形成されている。本実施例においては、固定板１８が固定部材に、内面２０が固定側対向面に、内面２２が可動側対向面に、それぞれ相当する。
【００３８】
また、ダイアフラム１２は、例えば純度96(%)程度のアルミナ等のセラミックスで構成されたものであって、例えば、直径が16(mm)程度、厚さ寸法が0.3(mm)程度の平坦且つ一様な厚みの薄板円板である。このダイアフラム１２は、例えば、粉末プレス成形等の適宜の成形方法で作成した板を緻密に焼結させ、両面を平坦且つ平滑に研削加工すること等によって製造される。前記の可動側電極２６は、例えばAu等から成るものであって、7.5(mm)程度の直径と、0.5(μm)程度の厚さ寸法とを有し、ダイヤフラム内面２２上にそれよりも小さい直径でその内周側に厚膜或いは薄膜技術等によって形成されている。本実施例においては、この可動側電極２６が設けられている範囲２８が静電容量変化を利用した圧力測定に有効な実効領域である。
【００３９】
また、上記ダイアフラム１２の上面３０には、円形の増厚層３２が同心に固着されている。この増厚層３２は、アルミナ粉体が分散させられたガラス等から成り、例えば、7.5(mm)程度の直径と、60(μm)以上、例えば90(μm)程度の厚さ寸法とを備えたものである。すなわち、増厚層３２は、可動側電極２６の裏面にこれと同一の位置および範囲で、換言すれば実効領域２８の全体に亘って形成されている。このため、ダイアフラム１２の実効領域２８内の厚さ寸法は、それよりも外周側の周縁部３４における厚さ寸法の1.2倍程度の390(μm)程度である。本実施例においては、ダイアフラム１２が請求の範囲に言う第１ダイアフラム部材に、上記増厚層３２が請求の範囲に言う第２ダイアフラム部材にそれぞれ相当し、これら２つの部材により請求の範囲に言うダイアフラムが構成されている。なお、増厚層３２は、例えば、ガラス粉体とアルミナ粉体とを混合したインクを用いて、ダイアフラム１２の上面３０に厚膜スクリーン印刷によって塗布し、例えば680(℃)程度の温度で焼成処理を施すことにより設けられたものである。スクリーン印刷の一層の厚さ寸法は例えば30(μm)程度であり、上記膜厚は例えば３層程度積層することにより形成されている。
【００４０】
また、上記の固定板１８は、例えば純度96(%)程度のアルミナ等から成るものであって、例えばダイアフラム１２と同程度の16(mm)程度の直径と、4(mm)程度の厚さ寸法とを備えたものである。前記の固定側電極２４は、Au膜等から成るものであって、固定板内面２０上に可動側電極２６と同一の面積および厚さ寸法で同軸に形成されている。なお、内面２０，２２には、固定側電極２４および可動側電極２６にそれぞれ接続された配線が蒸着等によって形成されているが、これらは省略した。
【００４１】
また、上記の接合層１４は、例えば、650(℃)程度の温度で焼成されるシールガラスに、例えば直径60(μm)程度の高軟化点ガラス製ビーズが分散されたものである。この接合層１４は、外径16(mm)程度、内径12(mm)程度の円環状を成し、ダイアフラム１２および固定板１８と同心に設けられている。この接合層１４の厚さ寸法すなわちダイアフラム１２の内面２２と固定板１８の内面２０との相互間隔は、上記ガラス製ビーズの直径に等しい60(μm)程度である。すなわち、本実施例において、上記ガラス製ビーズは、ダイアフラム１２および固定板１８の相互間隔を定める役割を果たしている。なお、上記相互間隔の下限値は検出しようとする圧力に応じて、ダイアフラム１２の変形量を考慮して定められたものである。本実施例において、ダイアフラム１２が上下に撓み変形可能な変形領域３６は、この接合層１４の内周面３８よりも内周側に形成されており、これが可動側電極２６および増厚層３２の形成されている実効領域２８とそれよりも外周側の周縁部３４とに区分されている。
【００４２】
このようなダイアフラム１２、固定板１８、および接合層１４に囲まれた円板状(或いは円柱状)の空間４０は、気体や液体等の作動流体が蓄えられる圧力室であって、ダイアフラム１２は、その圧力室４０内の作動流体圧とダイアフラム１２の外部の圧力(例えば気圧)との差圧に応じて図１における上方或いは下方(すなわち固定側電極２４に接近する方向または離隔する方向)に撓み変形させられる。接合層１４は、ダイアフラム１２および固定板１８をそれらの外周縁部において相互にその作動流体が漏れ出ない程度の気密或いは液密に固着しているのである。
【００４３】
なお、固定板１８の中央部には、その厚み方向に貫通する例えば直径2(mm)程度の作動流体出入口４２が備えられており、圧力室４０内の圧力は、測定対象となる作動流体或いは測定対象の圧力変化に対応して圧力が変化する作動流体が流入させられることにより高められる一方、その作動流体が流出させられることによって低められる。なお、絶対圧測定に用いる場合には、作動流体出入口４２は無用であり、圧力室４０が密閉空間に構成されて内部が真空とされる。
【００４４】
上記のようにダイアフラム１２が変形させられると、可動側電極２６と固定側電極２４との間の静電容量が変化させられる。そのため、その静電容量の変化が測定されることにより、圧力室４０に伝達された圧力変化が検出される。
【００４５】
このとき、本実施例においては、実効領域２８に増厚層３２が固着されることによってその剛性が高められていることから、図２に圧力室４０内の圧力が高められた場合について例示するように、ダイアフラム１２は、専らその周縁部３４が変形させられ、実効領域２８内では略平坦に保たれる。しかも、周縁部３４は、ダイアフラム１２と同心に形成されているので、ダイアフラム１２の中心から同一距離の位置における変形量が一様になる。そのため、ダイアフラム１２の実効領域２８およびこれに固着された可動側電極２６は、固定側電極２４との平行を保ったままこれから離隔させられるので、その圧力変化に対する静電容量変化の直線性が高められる。例えば、ダイアフラム１２の最大撓み量50(μm)までの出力と撓み量との直線性を計測したところ、センサの測定範囲(フルスケール)における直線からのずれは0.9(%)(すなわち0.9％F.S.)程度と小さいことが確かめられた。これは増厚層３２を備えていない他は圧力センサ１０と同様に構成された従来の圧力センサのずれが、通常2.0〜2.2(%)程度であることに比較して著しく低い値である。
【００４６】
すなわち、ダイアフラム１２の中央部の実効領域２８が周縁部３４に対して1.2倍程度と十分に厚くされているため、その肉厚の実効領域２８が相対的に変形し難く、薄い周縁部３４が相対的に変形し易くなる。そのため、ダイアフラム１２に作用する圧力が変化すると、専らその周縁部３４が変形させられることによって実効領域２８の撓み変形が抑制され、延いては可動側電極２６と固定側電極２４との平行が保たれるのである。このような効果は、圧力室４０内の圧力が図１の状態よりも低くなった場合の作動状態が図２に示されるものと反対方向になるだけであることから明らかなように、ダイアフラム１２が何れの変形方向となる場合にも得られる。
【００４７】
しかも、ダイアフラム１２の実効領域２８の厚みは、その上面３０にアルミナ粉末を含む厚膜を設けることで増大させられていることから、高精度の機械加工などは何ら必要とすることなく、同心円上における変形量の均一性が確保されている。
【００４８】
次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の実施例において前述した実施例と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４９】
図３に示される圧力センサ５０は、ダイアフラム１２に代えて金属製のダイアフラム５２を備えたものである。このダイアフラム５２は、例えば50%Ni-Fe合金から成るものであって、例えば、直径が16(mm)程度、厚さ寸法が50(μm)程度の平坦且つ一様な厚みの薄板円板である。すなわち、ダイアフラム１２に比べて厚さ寸法は薄くなっているが直径は同様である。本実施例においては、可動側電極がこのダイアフラム５２によって兼用されており、その内面５４には可動側電極を構成するための金属膜などは何ら設けられていない。
【００５０】
また、上記のダイアフラム５２の上面５６には、例えば直径が11(mm)程度で厚さ寸法が30(μm)程度の第１増厚層５８と、例えば直径が7.5(mm)程度で厚さ寸法が30(μm)程度の第２増厚層６０とが、ダイアフラム５２と同心に積層して固着されている。これら増厚層５８，６０は、何れもガラス粉体およびアルミナ粉体を混合したインクを用いて前記増厚層３２と同様にして形成されたものである。なお、ダイアフラム５２の露出部分すなわち電極や配線として機能させられる部分、すなわち増厚層５８，６０が設けられた部分や接合層１４に固着された部分には、接合等のための熱処理の際の酸化を防止する目的でAu鍍金が施されている。
【００５１】
一方、固定板１８の内面２０には、これと同心に固定側電極２４および環状補助電極６２が備えられている。環状補助電極６２は、例えば外径11(mm)程度、内径8(mm)程度、厚さ寸法0.5(μm)程度の寸法で設けられたAu蒸着膜である。したがって、本実施例においては、ダイアフラム５２の上面５６に、環状補助電極６２と同一外径の第１増厚層５８と、固定側電極２４と同一外径の第２増厚層６０とが同心に設けられている。直径7.5(mm)程度の固定側電極２４と、環状補助電極６２との間には、径方向に0.25(mm)程度の隙間が設けられており、それらの電気的絶縁性が確保されている。
【００５２】
なお、本実施例においては、ダイアフラム５２が金属で構成されていることから固定側電極２４よりも外周側にも静電容量が発生する。上記環状補助電極６２は、その静電容量を分離して、ダイアフラム５２の撓み変形による静電容量変化のＳ／Ｎ比を高くし延いては測定精度を高める目的で設けられたリファランス電極である。そのため、圧力センサ５０の変形領域６４は接合層１４の内周面３８よりも内周側の部分であるが、実効領域６６は固定側電極２４が形成されている範囲すなわち第２増厚層６０が形成されている範囲である。したがって、第２増厚層６０が設けられている範囲よりも外周側が周縁部６８に相当する。
【００５３】
以上のように構成された圧力センサ５０においても、実効領域６６は増厚層５８，６０が重ねて設けられることによってダイアフラム５２との合計厚みが110(μm)程度(すなわち周縁部６８の2.2倍)まで増大させられていることから、ダイアフラム５２に圧力が作用した場合には、その実効領域６６の変形が抑制され、専ら周縁部６８が変形させられることとなる。したがって、圧力センサ１０と同様に、実効領域６６すなわち固定側電極２４が備えられている範囲におけるダイアフラム５２の平坦性が保たれ、延いてはその固定側電極２４との平行が保たれることから、圧力変化と出力との直線性が高められ、測定精度が高められる。
【００５４】
例えば、圧力センサ１０と同様に、ダイアフラム５２の最大撓み量50(μm)までの出力と撓み量との直線性を計測したところ、直線からのずれは0.7(%)程度と一層小さいことが確かめられた。
【００５５】
図４は、本発明の更に他の実施例の圧力センサ７０の構成を示す図である。この圧力センサ７０においては、ダイアフラム５２の上面５６に増厚層５８等が備えられておらず、一方、その内面５４に可動側電極７２が備えられている。
【００５６】
上記可動側電極７２は、例えば30(μm)程度の厚さ寸法に形成されたNi鍍金層であって、前記可動側電極２６と同様に7.5(mm)程度の直径でダイアフラム５２と同心に設けられている。すなわち、本実施例においては、可動側電極７２の厚さ寸法が通常のAu蒸着層に比較して60倍程度の厚みである。なお、可動側電極７２が金属製のダイアフラム内面５４に設けられていても、その内面５４と固定側電極２４との距離に比較して可動側電極７２と固定側電極２４との距離が十分に短いことから、その可動側電極７２よりも外周側に存在する金属部分との間の静電容量は無視できる程度に小さい。したがって、本実施例では環状補助電極６２が設けられていなくとも差し支えない。なお、本実施例においては、ダイアフラム５２に代えてアルミナ製のダイアフラム１２を用いることもできる。
【００５７】
そのため、本実施例においても、可動側電極７２が設けられている範囲では全体として剛性が高められることによってダイアフラム１２の変形が抑制されることから、専らその外周側の部分のみが変形させられることとなる。すなわち、本実施例においても、可動側電極７２が設けられている実効領域全体の変形が抑制されており、固定側電極２４との平行が保たれるようになっている。このように、電極厚みを厚くすることによっても、実質的にダイアフラム５２の剛性を高めることができる。
【００５８】
なお、この圧力センサ７０においては、最大撓み量50(μm)までの出力と撓み量との直線性を計測したところ、直線からのずれが1.1(%)程度であった。
【００５９】
図５は、更に他の実施例の圧力センサ８０を説明する図である。この圧力センサ８０においては、前記図３、図４に示される実施例と同様な金属製のダイアフラム５２が用いられ、これが可動側電極を兼ねているが、その内面５４には、環状の導体層８２ａ，８２ｂがダイアフラム５２と同心に設けられている。
【００６０】
上記の導体層８２ａは、例えば外径が固定側電極２４と同一の7.5(mm)程度、内径が4(mm)程度で15(μm)程度の厚さ寸法に形成されている。また、上記の導体層８２ｂは、例えば外径が導体層８２ａと同一の7.5(mm)程度、内径が6(mm)程度で15(μm)程度の厚さ寸法に形成されている。他の部分の構成は、前記圧力センサ７０と同様である。圧力センサ８０の可動側電極内面はダイアフラム５２の内面５４および導体層８２ａ，８２ｂの下面によって構成されており、固定側電極２４の外周縁よりも内周側に形成される実効領域内では、可動側電極が実質的に中心に向かうに従って段階的に厚さ寸法が薄くなっている。このため、可動側電極と固定側電極２４との相互間隔(すなわち電極間隔)は、ダイアフラム５２の外周側から中心に向かうに従って、段階的に大きくなっている。
【００６１】
このように構成された圧力センサ８０によれば、圧力室４０内の圧力が低下させられると、ダイアフラム５２の上面５６側との圧力差に応じてそのダイアフラム５２の中央部が固定板１８に接近する方向に湾曲させられる。このとき、その湾曲量が一定の大きさになると、図６に示されるように、最も変位させられるダイアフラム５２の内面５４の中央部の下端と、導体層８２ａ，８２ｂの下端(例えば内周側角部)とが、一平面８４上に位置し、それらの高さ位置が一致させられる。この結果、これらにより形成される可動側電極の内面が実質的に平坦になるので、当初から平坦な固定側電極２４と実質的に平行な状態が得られる。
【００６２】
したがって、本実施例によれば、上記のようにダイアフラム５２が固定板１８側に撓み変形させられる際には、図６に示される変形量となるまでは、実質的な可動電極内面が上に凹の状態から平坦となるように変化させられる一方、その変形量を超えると、実質的な可動電極内面が平坦な状態から下に凸の状態となる。そのため、図６に示される実質的な平坦状態となる変形量の前後においては、固定側電極２４と略平行(すなわち電極間隔が全面で略均一)になるので、圧力センサ８０の通常の動作条件が図６に示される程度の変形量を中心とするものであることを前提とすれば、通常の検出範囲における歪みを小さくすることができ、測定精度が高められる。なお、図６は変形状態を模式的に描いたものであって、必ずしも実際の変形状態を表していない。
【００６３】
なお、上記の図５、図６においては、導体層８２が２層で構成されているが、上記の動作説明から明らかなように、導体層内面はダイアフラム５２の中心に向かうに従って固定側電極２４から離隔する滑らかな曲線であることが望ましい。このような曲線的な導体層内面を得るためには、例えば、厚さ寸法が2(μm)程度の薄い導体層を内径が段階的に大きくなるように数段積層形成すればよい。
【００６４】
また、ダイアフラム５２に代えてアルミナ等の絶縁体材料から成るダイアフラム１２等に上記態様を適用する場合においては、固定側電極２４と同一形状の導体層を例えば10(μm)程度の厚さ寸法で形成した後、その上に環状の導体層を積層すればよい。
【００６５】
以上、本発明を図面を参照して詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施でき、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施例の圧力センサの断面構造を説明するための模式図である。
【図２】図１の圧力センサの作動状態を説明する図である。
【図３】本発明の他の実施例の圧力センサの断面構造を説明するための模式図である。
【図４】本発明の更に他の実施例の圧力センサの断面構造を説明するための模式図である。
【図５】本発明の更に他の実施例の圧力センサの断面構造を説明するための模式図である。
【図６】図５の圧力センサの作動状態におけるダイアフラムの湾曲状態を説明する図である。
【符号の説明】
【００６７】
１０：静電容量型圧力センサ、１２：ダイアフラム、１８：固定板、２４：固定側電極、２６：可動側電極、２８：実効領域、３２：増厚層、３４：周縁部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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