(57)【要約】本発明の実施形態の容量性圧力変換器は、電極間の物理的な接続を必要とせずに変換回路を形成するために基板（１２０）上の２つの電極をダイヤフラム電極と容量結合する。本発明の実施形態は、結合電極（２２１）と検出電極を有する基板（１２０）と、ダイヤフラム電極を有する付属のダイヤフラム（１１０）とを有する。基板とダイヤフラムとの間に配置されたスペーサー（１３０）が、検出電極とダイヤフラム電極（２４１）との間のギャップを定めるキャビティを提供する。誘電材料スペーサーが、結合電極（２２１）とダイヤフラム電極（２４１）との間の静電容量を増大させるために結合電極の上に配置されてもよい。容量性圧力変換器は、既存の容量性圧力変換器と同様の電気的特性を有し、製造が容易であり、機械的相互接続及び追加の導電材料の排除によりもたらされる長期信頼性及び耐久性の改善を有する。
2017503178.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量性圧力変換器であって
結合電極及び検出電極をその上に有する基板と、
ダイヤフラム電極をその上に有するダイヤフラムと、
前記基板と前記ダイヤフラムとの間に位置するスペーサーと
を含み、前記スペーサーは前記結合電極と前記ダイヤフラム電極との間及び前記検出電極と前記ダイヤフラム電極との間のギャップを含むキャビティを提供し、前記結合電極と前記ダイヤフラム電極は結合容量を定め、前記検出電極と前記ダイヤフラム電極は検出容量を定め、前記ダイヤフラムにおける圧力変化が前記検出容量に対応する変化を生じさせる、容量性圧力変換器。
【請求項２】
前記結合電極と前記検出電極は同心である、請求項１に記載の容量性圧力変換器。
【請求項３】
前記結合電極は前記検出電極の外側に配置されている、請求項２に記載の容量性圧力変換器。
【請求項４】
前記スペーサーは更に前記結合電極の上に配置されている、請求項１に記載の容量性圧力変換器。
【請求項５】
前記スペーサーは誘電的に安定した材料で作られている、請求項４に記載の容量性圧力変換器。
【請求項６】
前記結合電極の上に配置された誘電材料を更に含む、請求項１に記載の容量性圧力変換器。
【請求項７】
前記結合電極、前記ダイヤフラム電極、及び前記検出電極はそれぞれ直列コンデンサー回路を形成し、前記直列コンデンサー回路は前記検出容量にほぼ等しい等価容量を有する、請求項１に記載の容量性圧力変換器。
【請求項８】
前記結合容量は前記検出容量より少なくとも３倍大きい、請求項１に記載の容量性圧力変換器。
【請求項９】
前記結合容量は前記検出容量より少なくとも５倍大きい、請求項１に記載の容量性圧力変換器。
【請求項１０】
前記ダイヤフラム電極は前記基板上の電極と物理的に導電接触していない、請求項１に記載の容量性圧力変換器。
【請求項１１】
前記ダイヤフラム電極は前記検出電極及び前記結合電極と物理的に導電接触していない、請求項１に記載の容量性圧力変換器。
【請求項１２】
変調信号源（ＡＣ）が前記結合電極と電気通信し、前記変調信号源は前記ダイヤフラム電極に容量的にエネルギーを与える、請求項１に記載の容量性圧力変換器。
【請求項１３】
前記変調信号源は１００ｋＨｚから１ＭＨｚの間で交流信号を出力する、請求項１２に記載の容量性圧力変換器。
【請求項１４】
信号調整器が前記検出電極と電気通信する、請求項１に記載の容量性圧力変換器。
【請求項１５】
前記信号調整器は、前記ダイヤフラム電極の物理的接触通電と比較した前記ダイヤフラム電極の容量通電による感度の損失を補償するために前記検出電極から受信した検出信号に加えられる利得を増加させる、請求項１４に記載の容量性圧力変換器。
【請求項１６】
圧力を変換する方法であって、
結合容量を有する結合コンデンサーを定める結合電極とダイヤフラム電極を容量結合することと、
検出容量を有する検出コンデンサーを定める検出電極と前記ダイヤフラム電極を容量結合することと、
前記ダイヤフラム電極を有するダイヤフラムを前記ダイヤフラムと圧力連通する流体に関連する圧力変化に応じて撓ませることと、
前記ダイヤフラムの撓みの関数として前記検出容量を変調することと
を含む方法。
【請求項１７】
前記ダイヤフラムを前記流体に関連する圧力変化に応じて撓ませることは、
前記ダイヤフラムの内側表面と前記基板との間のギャップ距離を定めるスペーサーによって前記基板から離れた前記ダイヤフラムの間隔を維持することと、
前記流体に関連する圧力変化に応じて前記ギャップ距離を変化させることと
を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
スペーサーによって前記基板から離れた前記ダイヤフラムの間隔を維持することは、
誘電材料から作られたスペーサーによって前記結合容量を増大させることを更に含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
直列コンデンサー回路を使って前記検出電極に通電することを更に含み、前記直列コンデンサー回路は前記結合コンデンサーと前記検出コンデンサーとを含み、前記直列コンデンサー回路は前記検出容量にほぼ等しい等価容量を有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
容量性圧力変換器の製造方法であって、
基板の表面に結合電極と検出電極を取り付けることと、
ダイヤフラムの内側表面にダイヤフラム電極を取り付けることと、
前記基板から離れた前記ダイヤフラムの間隔を維持し且つ前記ダイヤフラムの内側表面と前記基板との間のギャップ距離を定めるスペーサーを前記基板と前記ダイヤフラムの内側表面に固定することと、
前記検出電極と前記ダイヤフラム電極とで検出コンデンサーを形成することと、
前記結合電極と前記ダイヤフラム電極とで結合コンデンサーを形成することと、
前記検出コンデンサーと前記結合コンデンサーとで直列コンデンサー回路を形成することと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年１月１６日に出願された「結合ソース電極との容量性圧力変換器」と題する米国特許出願第１４／１５７２３５号の優先権を主張するものであり、上記米国特許出願は、参照によりその全体が本明細書に含まれるものとする。
【０００２】
容量性圧力変換器は、そのダイヤフラムに加えられる圧力の変化を対応する容量変化に変換して圧力測定を行うことを可能にする。ダイヤフラムの後ろには、ダイヤフラムに加えられた圧力による歪みを検出するための可変コンデンサーを構成する平行オフセット導電性プレートを有する圧力キャビティがあり、平行オフセット導電性プレートの一方がダイヤフラムに対して固定された位置にあり、他方がダイヤフラムに取り付けられている。
【０００３】
典型的な圧力センサーは、２つの主要な部分、（ｉ）容量性圧力変換器のような、圧力変化によって影響を受ける要素と、（ｉｉ）容量性圧力変換器に変調電気信号を供給し且つ容量性圧力変換器によって与えられる変調信号への影響を圧力変化の関数として検出するための、しばしば信号調整器と称される電子機器とを含む。
【０００４】
典型的な容量性圧力変換器は、金属、セラミック、又はシリコン製のダイヤフラムを使用し、このダイヤフラムに一方の平行オフセット導電性プレートが取り付けられている。他方のプレートは、圧力変化に反応しない基板に取り付けられている。圧力変化はダイヤフラムの湾曲を引き起こし、それにより平行オフセット導電性プレート間の距離を変化させ、測定可能な静電容量の変化を生じる。この変化は線形又は非線形であり得るが、通常は５０〜１００ｐＦの全静電容量のうちのわずか数ピコファラッドである。静電容量のこの変化は、発振器の周波数を制御するか又は交流信号の結合を変化させるのに使用されることができる。信号調整用の電子機器は、一般に変換素子の近くに位置し、浮遊容量に起因するエラーを防止する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の例示的な実施形態は、検出電極及び結合（ソース）電極をその上に有する基板と、ダイヤフラム電極をその上に有するダイヤフラムと、基板とダイヤフラムとの間に配置されたスペーサーとを含む、容量性圧力変換器である。スペーサーは、検出電極とダイヤフラム電極との間のキャビティを提供し、結合電極とダイヤフラム電極との間の固定静電容量ギャップと、検出電極とダイヤフラム電極との間の動的静電容量ギャップとを形成する。結合電極とダイヤフラム電極は共に結合容量を定め、検出電極とダイヤフラム電極は共に検出容量を定め、ダイヤフラムにおける圧力変化が検出容量に対応する変化を生じさせる。結合電極、ダイヤフラム電極及び検出電極は共に、直列の２つのコンデンサーとしてモデル化することができる回路を形成する。電極は、平行板コンデンサーを形成するように配置された導電性プレート電極であることができる。
【０００６】
検出電極及び結合電極は同心円状に配置されることができ、結合電極は検出電極の外側に配置されることができ、それにより結合電極は検出電極を少なくとも部分的に取り囲む。
【０００７】
本発明の一実施形態において、スペーサーは結合電極の上に配置されている。スペーサーは、結合電極とダイヤフラム電極との間の静電容量を増加させるために結合電極の上に配置されたガラスのような誘電材料であることができる。代替的な実施形態において、誘電材料が結合電極の上に配置されることができ、スペーサーは結合電極の上に配置されていない。
【０００８】
別の実施形態において、結合電極、ダイヤフラム電極、及び検出電極はそれぞれ、２つのコンデンサーを有する直列コンデンサー回路を形成し、直列コンデンサー回路は検出容量にほぼ等しい等価容量を有する。結合容量は検出容量より少なくとも３倍大きいことができ、或いは結合容量は代替的に容量結合による検出信号振幅損失量を低減するために検出容量より少なくとも５倍大きいことができる。
【０００９】
一実施形態において、ダイヤフラム電極は、基板上の電極リードと物理的に電気接触していない。
【００１０】
更に別の実施形態において、容量性圧力変換器は結合電極と電気通信する変調信号源によって駆動され、変調信号源は結合電極によってダイヤフラム電極に容量的にエネルギーを与える。変調信号源は、１００ｋＨｚから１ＭＨｚの間で又は特定の電極配置を駆動するのに適した他の周波数範囲で交流信号を出力することができる。
【００１１】
別の実施形態において、容量性圧力変換器は、検出電極からの検出信号を受信するために信号調整器と電気通信している。信号は変調信号源を含むことができる。信号調整器は、ダイヤフラム電極の物理的接触通電と比較したダイヤフラム電極の容量通電による感度の損失を補償するために電気検出信号に加えられる利得を増加させることができる。
【００１２】
本発明の他の例示的な実施形態は、結合電極をダイヤフラム電極と容量結合し且つ検出電極をダイヤフラム電極と容量結合することと、ダイヤフラム電極を有するダイヤフラムをダイヤフラムと圧力連通する流体に関連する圧力変化に応じて撓ませることと、検出容量をダイヤフラムの撓みの関数として変調することとを含む、圧力を変換する方法である。結合電極とダイヤフラム電極は結合容量を有する結合コンデンサーを形成し、検出電極とダイヤフラム電極は検出容量を有する検出コンデンサーを形成する。別の実施形態は直列コンデンサー回路を使って検出電極に通電することを含み、直列コンデンサー回路は結合コンデンサーと検出コンデンサーとを含み、直列コンデンサー回路は検出容量にほぼ等しい等価容量を有する。
【００１３】
別の実施形態において、ダイヤフラムを流体に関連する圧力変化に応じて撓ませることは、前記ダイヤフラムの内側表面と基板との間のギャップ距離を定めるスペーサーによって基板から離れたダイヤフラムの間隔を維持することと、流体に関連する圧力変化に応じてギャップ距離を変化させることとを含む。
【００１４】
更に別の実施形態において、スペーサーによって基板から離れたダイヤフラムの間隔を維持することは、誘電材料から作られたスペーサーによって結合容量を増大させることを更に含む。
【００１５】
容量結合された結合（ソース）電極を有する圧力変換器は、組み立て時のすべての回転アラインメントの必要をなくすことにより製造が容易であり、半田又は導電性エポキシ樹脂或いは他の取り付け材料が組み立てに使用されないので、ダイヤフラム電極への物理的な接続を用いる変換器より耐久性があり、これらの材料の関連する故障モードを排除する。
【００１６】
本発明の他の実施形態は、基板の表面に結合電極及び検出電極を取り付けることと、ダイヤフラムの内側表面にダイヤフラム電極を取り付けることと、基板から離れたダイヤフラムの間隔を維持し且つダイヤフラムの内側表面と基板との間のギャップ距離を定めるスペーサーを基板とダイヤフラムの内側表面に取り付けることと、検出コンデンサーと結合コンデンサーとを有する直列コンデンサー回路を形成することとを含む、容量性圧力変換器の製造方法である。検出コンデンサーは検出電極とダイヤフラム電極とを含み、結合コンデンサーは結合コンデンサーとダイヤフラム電極とを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
前記のものは、添付の図面に示されている本発明の例示的な実施形態の以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。添付の図面において、同様の符号は異なる図面にわたって同じ部分を指している。図面は必ずしも縮尺通りではなく、むしろ本発明の実施形態を説明することに重点が置かれている。
【図１】図１Ａ及び１Ｂはそれぞれ、本発明の実施形態による容量性圧力変換器の斜視図及び側面図である。
【図２】図２Ａ及び２Ｂは、本発明の実施形態の要素を有する圧力変換器の導電性プレート電極の概略図である。
【図３】図３Ａ及び３Ｂは、本発明の実施形態による例示的な圧力センサーの回路図である。
【図４】本発明の実施形態を有するディーゼルエンジンの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の例示的な実施形態の説明は以下の通りである。
【００１９】
図１Ａ及び１Ｂはそれぞれ、本発明の実施形態による容量性圧力変換器の実施形態の斜視図及び側面図である。容量性圧力変換器１００は、小さな内部ギャップ１２３によって分離されたリジッド基板１２０と可撓性ダイヤフラム１１０とを含む。ギャップは、ダイヤフラム１１０を基板１２０に接合するのに使用されるスペーサー１３０によって形成される。電極リード１２１，１２２が、ダイヤフラム１１０上の導電性プレート電極１４１と基板１２０上の導電性プレート電極１４２への電気的な接続を提供する。導電性プレート電極１４１，１４２は、図１Ｂに示されるように平行板コンデンサーを形成する。ダイヤフラム１１０が流体にさらされると、流体の圧力変化によって可撓性ダイヤフラム１１０の撓みが生じる。導電性プレート電極１４１、１４２間のギャップ１２３の距離はダイヤフラム１１０の撓みに応じて変化し、平行板コンデンサーの静電容量がギャップ１２３の距離の関数として変化する。
【００２０】
図２Ａ及び２Ｂは、本発明の実施形態の図である。この実施形態は、容量性圧力変換器とこれに対応する方法が基板上の電極リードとダイヤフラム上の導電性プレート電極との間の物理的な電気接続を排除することを可能にし、アライメントの必要を低減することによって組み立てを容易にし且つ長期の耐久性及び信頼性を向上させる。
【００２１】
図２Ａ及び２Ｂを参照すると、スペーサー２３０を有する基板アセンブリ２０１が示されている。スペーサー２３０は、容量性圧力変換器を形成するように基板アセンブリ２０１にダイヤフラムアセンブリ２０２を接合し且つリジッド基板２２０と可撓性ダイヤフラム２１０との間にギャップを設けるように構成されている。スペーサー２３０は通常、基板２２０とダイヤフラム２１０との間の気密接合部を作るために高温で溶融されるガラスなどの非導電材料である。
【００２２】
基板アセンブリ２０１は、３つの電極リード２２１、２２２、２２３を含む基板２２０を有する。
【００２３】
結合（ソース）電極リード２２１が結合（ソース）導電性プレート電極２５０に接続され、図２Ｂのダイヤフラムアセンブリ２０２のダイヤフラム導電性プレート電極２４１と共に結合（ソース）コンデンサー（Ｃｃ）を形成している。
【００２４】
検出電極リード２２２が基板２２０の中心に配置された検出導電性プレート電極２４２に接続し、図２Ｂの同じダイヤフラムアセンブリ２０２のダイヤフラム導電性プレート電極２４１と共に可変圧力検出コンデンサー（Ｃｐ）を形成している。
【００２５】
基準電極リード２２３が基板２２０の外径の近くに位置する周辺基準導電性プレート電極２４３に接続され、図２Ｂの２４１のダイヤフラム導電性プレート電極と共に不変基準コンデンサー（Ｃｒ）を形成している。
【００２６】
圧力検出コンデンサー（Ｃｘ）の容量値は、一般的に、ピコファラド（１０−１２Ｆ）の範囲で測定され、次式で与えられる。
【数１】
2017503178.tif 000003
ここで、εはギャップ内の媒質（通常は空気）の誘電率、「Ａ」は重なり合う電極の面積、「ｄ」は電極間の距離又はギャップである。
【００２７】
容量性圧力センサーは、電極に印加される時間的に変化する又は交流の電圧又は電流で圧力検出変換器電極にエネルギーを与えることによって動作する。コンデンサーは時間的に変化する電気信号のための低インピーダンス導体として働くインピーダンスの観点から、別のコンデンサー（Ｃｃ）が検出コンデンサー（Ｃｐ）と比べて著しく高い値を有する場合、複合回路が電気的に見る総容量値を大きく変えることなく、この別のコンデンサー（Ｃｃ）を圧力検出コンデンサー（Ｃｐ）及び基準コンデンサー（Ｃｒ）と直列に接続することができる。
【００２８】
本発明の実施形態は、追加のコンデンサーが検出コンデンサー（Ｃｐ）と比べた場合に著しく高い値を有するならば、複合回路が有する総容量値を大きく変えることなく物理的な接続に取って代わるように結合コンデンサー（Ｃｃ）をＣｐ及びＣｒコンデンサーと直列に接続することができる、という原理を利用する。これは、以下の回路方程式で表される。
【数２】
2017503178.tif 000004
【００２９】
上記のように直列で接続された２つのコンデンサーの容量は次式で与えられる。
【数３】
2017503178.tif 000005
【００３０】
同じ式がＣｒにも当てはまる。
【００３１】
引き続き図２Ａ及び２Ｂを参照すると、ダイヤフラム導電性プレート電極２４１は、上記の原理を用いて、ダイヤフラム２１０上のダイヤフラム導電性プレート電極２４１への物理的な接続を必要とせずに、検出コンデンサー（Ｃｐ）と必要に応じて基準コンデンサー（Ｃｒ）とに通電する。検出コンデンサーＣｐの通電は、結合コンデンサー（Ｃｃ）をＣｐ及びＣｒコンデンサーと直列に追加することによって行われる。結合導電性プレート電極２５０は基板２２０に加えられ、ダイヤフラム２１０上のダイヤフラム導電性プレート電極２４１の直径を基板２２０上の結合導電性プレート電極２５０と重なり合うように広げることによって、第３の結合コンデンサーＣｃが実現される。この方法はダイヤフラム２１０上の導体パッドの必要性を排除するため、基板２２０に対するダイヤフラム２１０の回転アライメントの必要性を排除する。
【００３２】
また、結合導電性プレート電極２５０は、ガラススペーサー２３０の下の領域に印刷されることができる。典型的なガラススペーサー２３０の誘電率は４〜１０で、空気の１．０００６に比べて著しく高く、ガラススペーサーの存在は、電極間に存在する付加的な誘電材料（例えば、ガラス）がない同じコンデンサーに比べて著しく高い値の結合コンデンサーＣｃをもたらす。これは、検出コンデンサーＣｐと基準コンデンサーＣｒの両方に当てはまる。結合コンデンサーＣｃにガラススペーサーを使用する場合、直列接続の結合コンデンサーＣｃと検出コンデンサーＣｐ又は基準コンデンサーＣｒを観測する電子装置から見た全体の容量は、元のＣｐ又はＣｒコンデンサーに近い回路全体容量であり、これによって回路が検討される。
【００３３】
図３Ａ及び３Ｂは、本発明の実施形態による図３Ａ及び３Ｂの容量性圧力センサーの回路図である。図３Ａは、図２Ａ及び２Ｂの容量性圧力変換器２０１、２０２の概略図であり、図３Ｂは、ダイヤフラム導電性プレート３４１電極が基板上の電極リード３６１、３６２、及び３６３からどのように物理的に切断されているかを示すために再配置された図３Ａの図である。
【００３４】
図３Ａにおいて、信号源３６０が電極リード３６１、３６２、及び３６３に印加される時間的に変化する又は交流の電圧（又は電流）（Ｖｍ）を供給する。
【００３５】
信号（Ｖｍ）は、１００ｋＨｚから１ＭＨｚの間であるか、又は用いられる特定の静電容量の設定に適用される他の周波数であることができる。信号は、ダイヤフラム導電性プレート電極３４１との容量性接続３５０を通して供給される。ダイヤフラム導電性プレート電極３４１とセンサー導電性プレート電極３４２との間（すなわち、Ｃｐコンデンサー）の静電容量の変化は、コンデンサーが時間的に変化する電気信号に対して低インピーダンス導電体として働くため、測定されることができる。
【００３６】
引き続き図３Ａ及び３Ｂを参照すると、基準コンデンサーがダイヤフラム導電性プレート電極３４１と基準導電性プレート電極３４３との間に形成され（Ｃｒコンデンサー）、当技術分野で知られているように、Ｃｃ及びＣｐコンデンサーの両方に影響を与える電磁干渉又は温度効果を補正するように含まれ、構成され又は使用されることができる。容量性接続３５０により失われた信号利得は信号調整器３６１によって補正されることができ、信号調整器３６１は出力信号３６２にＣｃ及びＣｐコンデンサーの静電容量の関数として増加された利得を与える。利得増加の関数としてのノイズの増加は重要ではなく、容量結合されたソース電極を有する圧力変換器の低減された製造の利点と信頼性の向上は、検出信号のノイズのわずかな増加にも有利である。
【００３７】
図４は、本発明の実施形態による図２Ａ及び２Ｂの圧力変換器を有するディーゼル内燃エンジン４００の図である。本発明の特徴は、ダイヤフラムと基板とを組み込み且つ基板及びダイヤフラム上の１つ以上の電極を使用する、あらゆる容量性圧力センサーに当てはまる。このような容量性圧力センサーは、自動車、航空宇宙、産業、医療、及び他の用途に使用される。容量性圧力センサーのための典型的な用途はディーゼルエンジン４００である、ディーゼルエンジン４００において、本発明の実施形態を有する容量性圧力センサー４１０からの圧力信号４１１は、エンジンの作動流体４１３の圧力を測定するのに使用される。
【００３８】
図４において、容量性圧力センサー４１０は排気マニホルド４２０と流体連通している。容量性圧力センサー４１０は、エンジン制御装置４９９に（一般的に０．５ボルトと４．５ボルトの間の）圧力信号４１１を供給する。エンジン制御装置４９９は、スロットルサブシステム４０２との電気通信４０１を制御するためのフィードバックとして圧力信号４１１を使用する。
【００３９】
容量性圧力センサー４１０におけるセラミックダイヤフラムの使用は、容量性圧力センサー４１０の容量性変換器が、ダイヤフラムを保護するために容量性圧力センサー４１０内に圧力伝達流体、例えば油を必要とすることなく、排気マニホルド４２０内の流体４１３と直接圧力連通することを可能にする。
【００４０】
本発明を特にその例示的な実施形態を参照して示し且つ説明してきたが、添付の特許請求の範囲に含まれる本発明の範囲から逸脱することなく形態及び詳細における様々な変更をなし得ることが当業者に理解されるであろう。
【図１Ａ】
2017503178.tif 000006
【図１Ｂ】
2017503178.tif 000007
【図２】
2017503178.tif 000008
【図３】
2017503178.tif 000009
【図４】
2017503178.tif 000010
【国際調査報告】
2017503178.tif 000011
2017503178.tif 000012