JP2013134212A - 静電容量型測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象の物理量を可変コンデンサの静電容量を測定することによって計測する静電容量型測定装置において、測定精度の飛躍的な向上を図るとともに、コンパクト化や構造の簡単化を実現する。
【解決手段】
前記可変コンデンサ５及び該可変コンデンサ５の静電容量を測定するための基準となる基準電気素子９を含んで構成された一次測定回路６１と、十分に高い入力インピーダンスをもつインピーダンス変換素子を有し、前記一次測定回路６１に接続された二次測定回路６２と、前記各測定回路６１、６２の一部又は全部が形成された基板２とを具備し、前記可変コンデンサ５及びインピーダンス変換素子７の間に形成される高インピーダンス回路部分８と前記基準電気素子９とが、前記基板２の表面と裏面との間の内部に埋めこまれて形成されるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量型圧力センサなどのような、可変コンデンサを用いて測定対象の物理量を計測する静電容量型測定装置に関するものである。

静電容量型圧力センサは、基本的には圧力を受圧して動くダイヤフラムと固定面との間にコンデンサを形成しておき、圧力の変化を前記コンデンサの静電容量の変化として捉えることによって、圧力を計測するものである。

例えば、先行文献１、２に記載されているこの種の圧力センサは、気体又は液体が導入される測定室が設けてあり、この測定室を形成する壁体の１つをダイヤフラムにしている。そして、このダイヤフラムの対向する位置に配線基板を固定して、ダイヤフラムの外表面に一方の電極、配線基板の裏面に他方の電極を設け、圧力測定用の可変コンデンサを形成するとともに、この可変コンデンサの静電容量を、前記配線基板の表面に設けた測定回路によって測定するように構成している。

ところで、可変コンデンサは、非常に高い出力インピーダンスを有するため、その静電容量の測定回路には、高インピーダンス入力端を有したバッファや増幅器等のインピーダンス変換素子を設ける必要があるが、このような高入力インピーダンス素子を有した測定回路は、環境変化（温度変化や湿度変化）の影響を受けやすい。

例えば、温度や湿度が変化して、前記インピーダンス変換素子と前記可変コンデンサとの間の回路部分に漏れ電流や浮遊容量が発生すると、インピーダンスが変化して測定に大きな影響がでるし、測定の基準となる基準電気素子（例えば固定容量の基準コンデンサや基準抵抗など）の値も温度や湿度の影響で変化するので、同様に、測定に悪影響が生じる。

そこで従来は、漏れ電流を防止すべく前記回路部分にガードリングを施したり、環境変化を低減すべく配線基板をケーシング内に密封するなどして、測定精度を担保するようにしている。

特開平１０−１１１２０６号公報 米国特許公報第６４３９０５６号

しかしながら、測定回路を構成する配線や電気素子が前記配線基板の表面に露出しているため、前述したような対策を施しても限度があり、測定精度の飛躍的な向上は望めない。また、電気素子は、ハンダ付けされて支持されているだけなので、不測の振動などで接触不良が発生する場合もある。
もちろん、恒温室を設けるといった極端な環境安定化を図れば、あるいは測定精度を上げることは可能なのかもしれないが、大容量化や構造の複雑化を招く恐れがある。

本発明は、かかる課題を鑑みてなされたものであって、この種の静電容量型測定装置において、大容量化や構造の複雑化を招くことなく、測定精度の飛躍的な向上を図ることをその主たる所期課題としたものである。

すなわち、本発明に係る静電容量型測定装置は、測定対象の物理量を可変コンデンサの静電容量の変化を利用して測定するものであって、前記可変コンデンサ及び該可変コンデンサの静電容量を測定するための基準となる基準電気素子を含んで構成された一次測定回路と、十分に高い入力インピーダンスをもつインピーダンス変換素子を有し、前記一次測定回路に接続された二次測定回路と、前記各測定回路の一部又は全部が形成された基板とを具備し、前記可変コンデンサ及びインピーダンス変換素子の間に形成される高インピーダンス回路部分と前記基準電気素子とが、前記基板の表面と裏面との間の内部に埋めこまれて形成してあることを特徴とする。

このようなものであれば、環境変化の影響を受けやすい高インピーダンス回路部分と基準電気素子とを、基板の内部という極めて安定な環境に置くことができるので、漏れ電流や浮遊容量、湿度等の問題を解消して、非常に測定精度が高く安定した性能を有する静電容量型測定装置を実現することができる。また、高インピーダンス回路部分や基準電気素子が基板内に埋めこまれるため、コンパクト化や構造の簡単化にも寄与し得るうえ、振動などの不測の外力によっても接触不良が生じにくくなり、堅牢性を向上できる。
なお、「十分に高い入力インピーダンスをもつ」インピーダンス変換素子とは、このインピーダンス変換素子に接続される出力素子（例えば可変コンデンサ）の出力特性に実質的な影響を与えない程度の入力インピーダンスを有するもののことである。

前記測定対象の物理量が気体又は液体の圧力であって、周壁の一部を内部に導入される気体又は液体の圧力によって変位する可動壁で形成した測定室を具備するとともに、前記基板がその裏面を前記可動壁に対向させて設けてあり、前記基板の裏面に可変コンデンサの出力端である一方の電極、前記可動壁に該可変コンデンサの他方の電極が形成してあるものであれば、配線基板の裏面が、そのまま可変コンデンサの電極として機能するため、可変コンデンサと配線基板とを接続する配線やコネクタ等を不要にでき、コンパクト化や低コスト化を図れる。

製造の簡単化やコンパクト化等に寄与し得る具体的態様としては、基板が絶縁性薄板を積層して形成したものであり、一部又は全部の絶縁性薄板に設けられた孔乃至溝に導電体を充填することによって、前記高インピーダンス回路部分及び基準電気素子を形成しているものを挙げることができる。

全ての測定回路を基板内に埋めこむと無駄が発生して却って製造が困難になったりコスト高を招く。こういった不具合を回避するには、前記基板の表面に、前記可変コンデンサ、高インピーダンス回路部分及び基準電気素子を除く、他の測定回路が搭載してあるものが望ましい。

基準電気素子と高インピーダンス回路部分を双方基板内に埋めこむ必要はなく、要求される測定精度や設置環境によっては、高インピーダンス回路部分のみ、あるいは、基準電気素子のみを基板に埋めこんでも構わない。

このように構成した本発明によれば、環境変化の影響を受けやすい高インピーダンス回路部分や基準電気素子を、基板の内部という極めて安定な環境に置くことができるので、漏れ電流や浮遊容量、湿度等の問題を解消して、非常に測定精度が高く安定した性能を有する静電容量型測定装置を実現することができる。

また、高インピーダンス回路部分と基準電気素子とが基板内に埋めこまれるため、コンパクト化や構造の簡単化にも寄与し得るうえ、振動などの不測の外力によっても接触不良が生じにくくなり、堅牢性を向上できる。

本発明の第１実施形態における圧力センサを示す部分縦断面図。 同実施形態において、セラミック薄板を積層した配線基板を示す部分断面斜視図。 同実施形態における測定回路を示す電気回路図。 本発明の他の実施形態における測定回路を示す電気回路図。 本発明のさらに他の実施形態における測定回路を示す電気回路図。 本発明のさらに他の実施形態における測定回路を示す電気回路図。

以下、本発明の一実施形態に係る静電容量型測定装置たる圧力センサ１００について、図面を参照して説明する。

この圧力センサ１００は、測定対象である気体や液体の圧力を計測するものであり、図１に示すように、導電性を有する金属製の筐体１と、この筐体１に取り付けた配線基板２とを有するものである。

筐体１は、内部に気体又は液体が導入される測定室１１を設けた中空のものであって、その底面には、測定室１１に気体又は液体を導入するための導入ポート（図示しない）が設けられている。

この測定室１１の頂壁には、気体又は液体の圧力に応じて該頂壁の厚み方向に変位する可動壁たるダイヤフラム部１１ａが形成してある。なお、このダイヤフラム部１１ａは、電気的には、後述するマイナスコモン（グランド）と同電位に保たれている。

配線基板２は、図２に示すように、絶縁性を有するセラミック薄板２１を積層して形成した板状をなすものであり、該配線基板２の裏面外周縁部からは、筒状をなすスペーサ３が一体に突出させてある。そして、このスペーサ３を測定室１１の頂壁外周縁部に例えばロウ付けすることによって、当該配線基板２の裏面が前記ダイヤフラム部１１ａの外表面から所定距離離間して対向するように配置してある。なお、このスペーサ３は、円環状の前記セラミック薄板２１を積層して形成したものである。

そして、当該配線基板２の裏面に金属板４を貼り付け、この金属板４を一方の電極５１とし、前記ダイヤフラム部１１ａを他方の電極５２として、これらによって可変コンデンサ５を形成している。

このような構成によれば、測定室１１内の圧力に応じて、ダイヤフラム部１１ａが変位して金属板４との距離が変動し、可変コンデンサ５の静電容量が変化するため、この可変コンデンサ５の静電容量を測定することによって、測定室１１内の気体又は液体の圧力を計測することができる。

その圧力を測定するための測定回路６は、その電気回路図を図３に示すように、一次測定回路６１と二次測定回路６２とを具備したものである。一次測定回路６１は、前記可変コンデンサ５と該可変コンデンサ５の静電容量を測定するための基準となる基準電気素子とを含んで構成されたものである。二次測定回路６２は、十分に高い入力インピーダンスをもつインピーダンス変換素子を有し、前記一次測定回路６１に接続されたものである。

前記基準電気素子は、ここでは固定容量のコンデンサ９であり、プラスコモン（電源電位）とマイナスコモン（グランド電位）との間に、当該コンデンサ９と前記可変コンデンサ５とが、可変コンデンサ５がマイナスコモン側となるように、直列に接続されて配設されている。

前記インピーダンス変換素子は、例えばオペアンプ７であり、増幅器乃至バッファとして機能するように構成してある。すなわち、このオペアンプ７のプラス入力端子には、可変コンデンサ５の出力端である一方の電極５１（コンデンサ９に接続された電極）が接続してあり、オペアンプ７のマイナス端子は当該オペアンプ７の出力端子に接続してある。

しかしてこの実施形態では、前記可変コンデンサ５とオペアンプ７のプラス入力端子との間の高インピーダンス回路部分である接続線８と、コンデンサ９とを、前記配線基板２内に埋めこむように形成している。なお、図３中、破線で囲まれた部分が、配線基板２内に埋めこまれる部分である。

具体的には、図２に斜視断面図を示すように、配線基板２を構成するセラミック薄板２１に貫通孔２１ａ乃至貫通溝２１ｂを設けておき、この貫通孔２１ａ乃至貫通溝２１ｂに導電体である金属を充填することによって、前記接続線８を配線基板２の内部に形成するようにしている。

例えば、前記接続線８を厚み方向に延ばす場合は、積層する複数のセラミック薄板２１の同位置に貫通孔２１ａを設けてそれら貫通孔２１ａが連続して厚み方向に延びるようにし、前記接続線８を面と平行に延ばすには、１枚のセラミック薄板２１に有底（又は貫通）溝２１ｂを形成すればよい。

また、コンデンサ９を形成する場合は、例えば、所定の大きさの貫通孔２１ｃを積層する複数のセラミック薄板２１の同位置に設けておき、その上下２枚のセラミック簿板２１に金属を膜状に形成することによって、それら一対の金属膜によってコンデンサ９が形成するようにすればよい。

なお、その他の電気素子、例えば抵抗やインダクタも、孔や溝の形状を調整したり、充填する導電体の素材を調整したりすることによって形成することができる。

このように構成した本実施形態によれば、環境変化の影響を受けやすい高インピーダンス回路部分８と基準電気素子たるコンデンサ９とを、セラミックの内部という極めて安定な環境に置くことができるので、漏れ電流や浮遊容量、湿度等の問題を解消して、非常に測定精度が高く安定した性能を有する圧力センサ１００を実現することができる。

また、配線基板２の裏面が、そのまま可変コンデンサ５の電極として機能するため、可変コンデンサ５と配線基板２とを接続する配線やコネクタ等を不要にでき、コンパクト化と低コスト化を図れる。
さらに、配線基板２とスペーサ３とが、セラミック薄板２１を積層することで一挙に構成できるため、製造の容易化にも寄与し得る。
加えて、高インピーダンス回路部分８やコンデンサ９が配線基板２内に埋めこまれるため、振動などの不測の外力によっても接触不良が生じにくくなり、堅牢性を向上できる。

また、スペーサ３が前記セラミック薄板２１を積層して形成したものであり、このスペーサの高さ（ギャップ）をセラミック薄板２１の積層枚数で容易にコントロールできるため、これを調整することで、可変コンデンサ５の容量をコントロールして、測定する圧力レンジにあったセンサを任意にかつ簡単に作成することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば、測定回路６は、図４〜図６に例示するように、種々の変形が可能である。これら図４〜図６において前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付している。
基準電気素子９は図４、図６からも明らかなように、コンデンサに限られず、抵抗やインダクタでも構わない。
また、圧力センサのみならず、静電容量の変化を利用して測定対象の物理量を測定する種々の測定装置に本発明を適用して同様の作用効果を奏し得る。
その他、本発明は前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・圧力センサ（静電容量型測定装置）
１１・・・測定室
１１ａ・・・ダイヤフラム部（可動壁）
２・・・配線基板（基板）
２１・・・セラミック薄板（絶縁性薄板）
２１ａ、２１ｃ・・・孔
２１ｂ・・・溝
５・・・可変コンデンサ
５１・・・一方の電極
５２・・・他方の電極
６・・・測定回路
６１・・・一次測定回路６１
６２・・・二次測定回路６２
７・・・オペアンプ（インピーダンス変換素子）
８・・・接続線（高インピーダンス回路部分）
９・・・コンデンサ（基準電気素子）

Claims (7)

1. 測定対象の物理量を可変コンデンサの静電容量の変化を利用して測定するものであって、
   前記可変コンデンサと該可変コンデンサの静電容量を測定するための基準となる基準電気素子とを含んで構成された一次測定回路と、
   十分に高い入力インピーダンスをもつインピーダンス変換素子を有し、前記一次測定回路に接続された二次測定回路と、
   前記各測定回路の一部又は全部が形成された基板とを具備し、
   前記可変コンデンサ及びインピーダンス変換素子の間に形成される高インピーダンス回路部分と前記基準電気素子とが、前記基板の内部に設けてあることを特徴とする静電容量型測定装置。
2. 前記基準電気素子が固定容量のコンデンサであることを特徴とする請求項１記載の静電容量型測定装置。
3. 前記測定対象の物理量が気体又は液体の圧力であって、
   周壁の一部を内部に導入される気体又は液体の圧力によって変位する可動壁で形成した測定室を具備するとともに、前記基板がその裏面を前記可動壁に対向させて設けてあり、
   前記基板の裏面に可変コンデンサの出力端である一方の電極、前記可動壁に該可変コンデンサの他方の電極が形成してあることを特徴とする請求項１又は２記載の静電容量型測定装置。
4. 基板が絶縁性薄板を積層して形成したものであり、
   一部又は全部の絶縁性薄板に設けられた孔乃至溝に導電体を充填することによって、前記高インピーダンス回路部分及び基準電気素子を形成していることを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の静電容量型測定装置。
5. 前記基板の表面に、前記可変コンデンサ、高インピーダンス回路部分及び基準電気素子を除く、他の測定回路が搭載してあることを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載の静電容量型測定装置。
6. 測定対象の物理量を可変コンデンサの静電容量の変化を利用して測定するものであって、
   前記可変コンデンサを含んで構成された一次測定回路と、
   十分に高い入力インピーダンスをもつインピーダンス変換素子を有し、前記一次測定回路に接続された二次測定回路と、前記各測定回路の一部又は全部が形成された基板とを具備し、
   前記可変コンデンサ及びインピーダンス変換素子の間に形成される高インピーダンス回路部分が、前記基板の内部に設けてあることを特徴とする静電容量型測定装置。
7. 測定対象の物理量を可変コンデンサの静電容量の変化を利用して測定するものであって、
   前記可変コンデンサと該可変コンデンサの静電容量を測定するための基準となる基準電気素子を含んで構成された測定回路と、
   前記測定回路の一部又は全部が形成された基板とを具備し、
   前記基準電気素子が、前記基板の内部に設けてあることを特徴とする静電容量型測定装置。