特許 5963486 静電容量センサ、測定装置、および測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5963486

(24)【登録日】2016年7月8日

(45)【発行日】2016年8月3日

(54)【発明の名称】静電容量センサ、測定装置、および測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01L 9/12 20060101AFI20160721BHJP

【ＦＩ】

   G01L9/12

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2012-59067(P2012-59067)

(22)【出願日】2012年3月15日

(65)【公開番号】特開2013-195068(P2013-195068A)

(43)【公開日】2013年9月30日

【審査請求日】2015年2月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】000105659

【氏名又は名称】日本電産コパル電子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100094330

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 正紀

(74)【代理人】

【識別番号】100122758

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 昭彦

(72)【発明者】

【氏名】熊 四輩

【審査官】 公文代 康祐

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−１６２７５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１８４１９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０９８５０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００１−５０９５８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−３３２３１２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｌ ９／１２

Ｇ０１Ｂ ７／００

Ｇ０１Ｆ ２３／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

近接物体との間の静電容量を検出する静電容量センサであって、
前記近接物体に向かって延び該近接物体に先端部が対面した中央電極と、
前記中央電極を取り巻いて前記近接物体に向かって延びた第１ガード電極と、
前記第１ガード電極を取り巻いて前記近接物体に向かって延び、先端部が、前記中央電極の先端部に、前記第１ガード電極を間に介在させることなく近接した第２ガード電極と、
前記第２ガード電極を取り巻き前記近接物体と同電位に保たれる導電体と、
前記第２ガード電極の、前記中央電極あるいは前記第１ガード電極との接続と前記導電体との接続とを切り替えるスイッチとを備えたことを特徴とする静電容量センサ。

【請求項2】

近接物体との間の静電容量を検出する静電容量センサであって、
前記近接物体に向かって延び該近接物体に先端部が対面した中央電極と、
前記中央電極を取り巻いて前記近接物体に向かって延びた第１ガード電極と、
前記第１ガード電極を取り巻いて前記近接物体に向かって延び、先端部が、前記中央電極の先端部に、前記第１ガード電極を間に介在させることなく近接した第２ガード電極と、
前記第２ガード電極を取り巻き前記近接物体と同電位に保たれる導電体と、
前記近接物体に対面して広がる面を有する絶縁体とを備え、
前記中央電極および前記第２ガード電極が前記絶縁体を貫通し、該中央電極および該第２ガード電極双方の先端部が、該絶縁体の前記近接物体に対面した面に印刷された導電膜からなることを特徴とする静電容量センサ。

【請求項3】

前記近接物体が、該近接物体に加わる圧力に応じて前記中央電極先端部との間の距離が変化するダイヤフラムであって、当該静電容量センサが、該ダイヤフラムに加わる圧力を測定する静電容量型の圧力センサであることを特徴とする請求項１又は２記載の静電容量センサ。

【請求項4】

近接物体との間の静電容量を検出する、
前記近接物体に向かって延び該近接物体に先端部が対面した中央電極と、
前記中央電極を取り巻いて前記近接物体に向かって延びた第１ガード電極と、
前記第１ガード電極を取り巻いて前記近接物体に向かって延び、先端部が、前記中央電極の先端部に、前記第１ガード電極を間に介在させることなく近接した第２ガード電極と、
前記第２ガード電極を取り巻き前記近接物体と同電位に保たれる導電体とを備えた静電容量センサ、並びに
前記中央電極、前記第１ガード電極、および前記第２ガード電極に、前記導電体に対し同一の電圧を印加して該中央電極と該導電体との間の静電容量を検出する第１モードと、
前記中央電極および前記第１ガード電極に前記導電体に対し同一の電圧を印加するとともに前記第２ガード電極を前記導電体に接続して該中央電極と該導電体との間の静電容量を検出する第２モードとを有し、
前記第１モードおよび前記第２モードのそれぞれにおいて検出された双方の静電容量に基づいて、前記近接物体と前記中央電極先端部との間の間隔に影響を与える物理量を測定する測定回路を備えたことを特徴とする測定装置。

【請求項5】

近接物体との間の静電容量を検出する、
前記近接物体に向かって延び該近接物体に先端部が対面した中央電極と、
前記中央電極を取り巻いて前記近接物体に向かって延びた第１ガード電極と、
前記第１ガード電極を取り巻いて前記近接物体に向かって延び、先端部が、前記中央電極の先端部に、前記第１ガード電極を間に介在させることなく近接した第２ガード電極と、
前記第２ガード電極を取り巻き前記近接物体と同電位に保たれる導電体とを備えた静電容量センサを用いて、前記近接物体と前記中央電極先端部との間の間隔に影響を与える物理量を測定する測定方法であって、
前記中央電極、前記第１ガード電極、および前記第２ガード電極に、前記導電体に対し同一の電圧を印加して該中央電極と該導電体との間の静電容量を検出する第１モードと、前記中央電極および前記第１ガード電極に前記導電体に対し同一の電圧を印加するとともに前記第２ガード電極を前記導電体に接続して該中央電極と該導電体との間の静電容量を検出する第２モードとの双方のモードにより静電容量を検出し、
前記第１モードおよび前記第２モードのそれぞれにおいて検出された双方の静電容量に基づいて前記物理量を測定することを特徴とする測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、近接物体との間の静電容量をピックアップする静電容量センサ、並びに、その静電容量センサでピックアップされた静電容量に基づいて物理量を測定する測定装置および測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近接物体との間の静電容量をピックアップする静電容量センサが知られている。例えば、その近接物体としてダイヤフラムを備え、気体の圧力が加わったときのダイヤフラムの変位に応じて変化する静電容量をピックアップして圧力を測定する静電容量型の圧力センサが知られている。

【0003】

特許文献１，２には、中央の電極を同心円状に取り巻くガード電極を備えることにより寄生容量がキャンセルされ、したがって圧力センサから離れた場所に測定回路を配置することができるセンサ構造が提案されている。

【0004】

また特許文献３，４には、圧力に応じた静電容量を検出する検出部分の隣りに圧力による変化を受けない検出部分を配備して温度補償された圧力を検出するセンサ構造が示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】ＵＳＰ３，６１９，７４２号公報

【特許文献2】特開２００９−１６２７５１号公報

【特許文献3】特開２０００−２１４０３５号公報

【特許文献4】特開２００６−７１５０１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上掲の特許文献１，２の圧力センサの場合、検出回路を圧力センサから離れた場所に配置することができる点では、有利であるが、温度補償を行なうには、圧力センサとは別に温度センサを備えるなどの設備を必要とし、しかも圧力センサとは異なる場所の温度を測定することになり、温度補償精度に限界がある。また、温度センサから延びるケーブルを圧力センサから延びるケーブルとは別に設置することになり、複雑になる。

【0007】

また、上掲の特許文献３，４の圧力センサの場合、温度補償用の構造が圧力センサに組み込まれているため温度補償自体は高精度に行なうことが可能である。しかしながら温度補償用の検出部分が圧力検出部分の隣りに設けられているため、圧力センサから離れた場所に測定回路を配置しようとすると、その配線による寄生容量が無視できないレベルに大きくなるおそれがあり、高精度な圧力測定を行なうには、圧力センサの近傍に検出回路を配置して圧力センサとの間の配線をできるだけ短くする必要がある。特に高温環境下での圧力測定では測定回路は圧力センサから離れた常温環境の場所に配置することが好ましいが、特許文献３，４に開示された構造はそれには向かない構造となっている。

【0008】

ここでは、圧力センサを取り上げて説明したが、上記の事情は圧力センサに限られず、静電容量型のセンサ一般に当てはまることである。

【0009】

本発明は、上記事情に鑑み、温度補償機能が組み込まれ、しかも測定回路を離れた場所に配置することができる静電容量センサ、その静電容量センサを備えた測定装置、および、その静電容量センサを用いて物理量を測定する測定方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成する本発明の静電容量センサは、
近接物体との間の静電容量を検出する静電容量センサであって、
近接物体に向かって延びその近接物体に先端部が対面した中央電極と、
中央電極を取り巻いて近接物体に向かって延びた第１ガード電極と、
第１ガード電極を取り巻いて近接物体に向かって延び、先端部が、中央電極の先端部に、第１ガード電極を間に介在させることなく近接した第２ガード電極と、
第２ガード電極を取り巻き近接物体と同電位に保たれる導電体と、
第２ガード電極の、中央電極あるいは第１ガード電極との接続と導電体との接続とを切り替えるスイッチとを備えたことを特徴とする。

【0011】

本発明の静電容量センサは、中央電極を第１ガード電極と第２ガード電極とで２重に取り巻くとともに、中央電極の先端部と第２ガード電極の先端部を第１ガード電極を間に介在させずに近接させている。このため、本発明の静電容量センサによれば、温度補償機能が組み込まれるとともに離れた場所に測定回路を配置することができる。

【0012】

また、近接物体との間の静電容量を検出する静電容量センサであって、
近接物体に向かって延びその近接物体に先端部が対面した中央電極と、
中央電極を取り巻いて近接物体に向かって延びた第１ガード電極と、
第１ガード電極を取り巻いて近接物体に向かって延び、先端部が、中央電極の先端部に、第１ガード電極を間に介在させることなく近接した第２ガード電極と、
第２ガード電極を取り巻き近接物体と同電位に保たれる導電体と、
上記近接物体に対面して広がる面を有する絶縁体とを備え、
中央電極および第２ガード電極がその絶縁体を貫通し、中央電極および第２ガード電極双方の先端部が、その絶縁体の近接物体に対面した面に印刷された導電膜からなる静電容量センサも、本発明の静電容量センサの好ましい形態である。

【0013】

また、本発明の静電容量センサにおいて、上記近接物体が、その近接物体に加わる圧力に応じて中央電極との間の距離が変化するダイヤフラムであって、この静電容量センサが、そのダイヤフラムに加わる圧力を測定する静電容量型の圧力センサであることも好ましい態様の１つである。

【0014】

また、本発明の測定装置は、
近接物体との間の静電容量を検出する、
近接物体に向かって延びその近接物体に先端部が対面した中央電極と、
中央電極を取り巻いて近接物体に向かって延びた第１ガード電極と、
第１ガード電極を取り巻いて近接物体に向かって延び、先端部が、中央電極の先端部に、第１ガード電極を間に介在させることなく近接した第２ガード電極と、
第２ガード電極を取り巻き近接物体と同電位に保たれる導電体とを備えた静電容量センサ、並びに
中央電極、第１ガード電極、および第２ガード電極に、上記導電体に対し同一の電圧を印加して中央電極と上記導電体との間の静電容量を検出する第１モードと、
中央電極および第１ガード電極に上記導電体に対し同一の電圧を印加するとともに第２ガード電極を上記導電体に接続して中央電極と上記導電体との間の静電容量を検出する第２モードとを有し、
第１モードおよび第２モードのそれぞれにおいて検出された双方の静電容量に基づいて近接物体と中央電極先端部との間の間隔に影響を与える物理量を測定する測定回路を備えたことを特徴とする。

【0015】

さらに、本発明の測定方法は、
近接物体との間の静電容量を検出する、
近接物体に向かって延びその近接物体に先端部が対面した中央電極と、
中央電極を取り巻いて近接物体に向かって延びた第１ガード電極と、
第１ガード電極を取り巻いて近接物体に向かって延び、先端部が、中央電極の先端部に、第１ガード電極を間に介在させることなく近接した第２ガード電極と、
第２ガード電極を取り巻き近接物体と同電位に保たれる導電体とを備えた静電容量センサを用いて、上記近接物体と中央電極先端部との間の間隔に影響を与える物理量を測定する測定方法であって、
中央電極、第１ガード電極、および第２ガード電極に、上記導電体に対し同一の電圧を印加して中央電極と上記導電体との間の静電容量を検出する第１モードと、中央電極および第１ガード電極に上記導電体に対し同一の電圧を印加するとともに第２ガード電極を上記導電体に接続して中央電極と上記導電体との間の静電容量を検出する第２モードとの双方のモードにより静電容量を検出し、
第１モードおよび第２モードのそれぞれにおいて検出された双方の静電容量に基づいて上記物理量を測定することを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

以上の本発明によれば、温度補償機能が組み込まれ、しかも離れた場所に測定回路を配置して高精度な測定を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の静電容量センサの第１実施形態としての圧力センサの構造を示した図である。

【図2】図１に示す圧力センサを用いた圧力測定方法の原理説明図である。

【図3】圧力測定装置の概要を示すブロック図である。

【図4】図３に示す圧力測定装置の各部の電圧波形を示した図である。

【図5】本発明の静電容量センサの第２実施形態としての圧力センサの内部構成を示す断面図である。

【図6】図５に示す第２実施形態の圧力センサを構成するセラミックス板を金属隔膜側から見た正面図である。

【図7】本発明の静電容量センサを変位センサに適した実施形態を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施の形態を説明する。

【0019】

図１は、本発明の静電容量センサの第１実施形態としての圧力センサの構造を示した図である。

【0020】

この圧力センサ１０Ａは、円周方向どの角度においてもこの図１に示す断面構造を持つ、回転対称に形成されている。

【0021】

この圧力センサ１０Ａは、第１胴体１１と第２胴体１２とを有し、第１胴体１１と第２胴体１２との間に金属隔膜（ダイヤフラム）１３が挟まれた構造である。この金属隔膜１３は、その周縁部１３１が第１胴体１１と第２胴体１２で挟まれ、その周縁部１３１を除く中央部分１３２は第１胴体１１と第２胴体１２の双方から離れている。第１胴体１１および第２胴体１２は金属製であり、金属隔膜１３は、第１胴体１１と第２胴体１２に挟まれて、第１胴体および第２胴体とともに接地電位に保たれている。

【0022】

第１胴体１１には、その金属隔膜１３にまで通じる気体導入路１１１が形成されており、その気体導入路１１１に導入された気体の圧力に応じて金属隔膜１３が撓む。また、第２胴体１２にも、その金属隔膜１３の中央部分１３２との間に隙間１２１が形成され、以下に説明する構造の電極がその隙間１２１を挟んで金属隔膜１３と対面している。

【0023】

第２胴体１２は内側が刳り貫かれた形状を有し、その刳り貫かれた内側中央に中央電極１４が配置されている。この中央電極１４は、金属隔膜１３に向かって延び、その先端部１４１が金属隔膜１３に対面している。

【0024】

また、この中央電極１４の周囲には、その中央電極１４を取り巻いて金属隔膜１３に向かって延びる第１ガード電極１５が配置されている。ただし、この第１ガード電極１５の、金属隔膜１３側の先端部１５１は金属隔膜１３には直接には対面しておらす、その先端部１５は絶縁体１７で取り囲まれている。この絶縁体１７により、中央電極１４と第１ガード１５との間が絶縁されている。

【0025】

さらに、その第１ガード電極１５の周囲には、その第１ガード電極１５を取り巻いて金属隔膜１３に向かって延びる第２ガード電極１６が配置されている。この第２ガード電極１６は、絶縁体１７により第１ガード電極１５との間が絶縁され、もう１つの絶縁体１８により第２胴体１２との間が絶縁されている。絶縁体１８と第２ガード電極１６との間には、空隙１２１を気密に保つシール部材１９が配置されている。このシール部材１９は、絶縁体１８の熱膨張定数と第２胴体１２の熱膨張定数との中間的な熱膨張定数を持つ材料で形成されており、絶縁体１８と第２胴体１２との間の熱膨張による歪みが緩和されている。

【0026】

中央電極１４の先端部１４１と第２ガード電極１６の先端部１６１は、第１ガード電極１５を間に介在させることなく、絶縁体１７を挟んで互いに近接している。

【0027】

ここで、第２胴体１２は、本発明にいう導電体の一例に相当し、金属隔膜１３には、本発明にいう近接物体の一例に相当する。

【0028】

本実施形態の、圧力センサ１０Ａは、高温環境下での気体の圧力計測用として構成されたものである。

【0029】

以下に、この圧力センサ１０Ａを構成する各部の材料や寸法について例示する。

【0030】

第１胴体１１は圧力導入口としての役割りを担っており、ここには、ステンレスがＮｉ系耐熱金属（Ｉｎｃｏｎｅｌ（インコネル；登録商標））が採用される。また、金属隔膜１３は、圧力を受けて変形し、中央電極１４の、金属隔膜１３と対面した検出電極面１４１ａとの間の距離を変化させるものであり、この金属隔膜１３の材料としては高強度かつ低撓み率のバネ材料が望ましく、例えば、ＳＵＳ６３０、インコネル７５０，７１８などが採用される。

【0031】

また、この金属隔膜１３の厚みとしては圧力測定範囲に応じて、例えば５０μｍ〜２０００μｍ程度のものが採用される。

【0032】

中央電極１４の金属隔膜１３側の検出電極面１４１ａと金属隔膜１３との隙間１２１の間隔は、金属隔膜１３と中央電極１４との間の容量値が検出回路（図示せず）の入力許容範囲内（例えば０．２ｐＦ〜２０ｐＦ）となるように、例えば５０μｍ〜５００μｍ程度に設定される。

【0033】

第１胴体１１と金属隔膜１３と第２胴体１２はレーザあるいは電子ビームによる溶接接合により作製することができ、隙間１２１は、第１胴体１１と第２胴体１２とによる金属隔膜１３の挟み込み構造により形成される。

【0034】

第２胴体１２は電極の支持体であり、第１胴体と同じ材料で構成される。

【0035】

さらに、中央電極１４、第１ガード電極１５、および第２ガード電極１６は、耐熱性および導電性に優れた金属材料、例えばコバール、ステンレス、インコネルなどが採用される。また、電極どうしの間には、絶縁体１７，１８が配置されるが、２５０℃以上の高温環境に耐え得るためには、電極材料としてコバールを採用して絶縁体１７，１８としては高純度アルミナを用い、その高純度アルミナをコバールに、Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ａｕなどで蝋付けすることで作製され、これにより耐熱性と気密性が確保される。

【0036】

２５０℃以下の環境下で使用する圧力センサの場合は、絶縁体１７，１８の材料としてガラスを採用してもよい。さらには１２０℃以下の環境下で使用する圧力センサの場合は、絶縁体１７，１８の材料としてエポキシ等のポリマを採用してもよい。

【0037】

さらに、例えば第２胴体１２をインコネルで作製し、絶縁体１７として高純度アルミナを採用し、シール部材１９として、それらインコネルと高純度アルミナとの中間的な熱膨張定数を持つコバールを採用して、隙間１２１を密封する構造としてもよい。

【0038】

中央電極１４の先端部１４１は直径１ｍｍ〜３０ｍｍ、その先端部１４１の厚みは０．１ｍｍ〜５ｍｍ程度が好ましい。中央電極１４の先端部１４１と第２ガード電極１６の先端部１６１との間の間隔は１ｍｍ〜２ｍｍ程度であり、そこには高温絶縁性がよいアルミナなどのセラミックスの絶縁体１７が配置される。

【0039】

この構成によれば、中央電極１４と第２電極１６の先端部１４１，１６１間の静電容量は０．５ｐＦ〜８ｐＦ以内に収まる。この中央電極１４の先端部１４１と第２ガード電極１６の先端部１６１との間の静電容量は、圧力変化による金属隔膜１３の変化には反応せずに、温度の影響による各部の寸法の変化等にのみ反応する。

【0040】

図２は図１に示す圧力センサを用いた圧力測定方法の原理説明図である。

【0041】

この圧力センサ１０Ａは、３重同軸ケーブル５０を介して、この圧力センサ１０Ａから離れた場所に置かれる検出回路（図３を参照して後述する）に接続される。この３重同軸ケーブル５０は、中央電極１４に接続される芯線５１と、その芯線５１の回りを絶縁層を介して取り巻き、第１ガード電極１５に接続される第１同軸線５２と、その第１同軸線５２の回りを絶縁層を介して取り巻き、第２ガード電極１６に接続される第２同軸線５３と、その第２同軸線５３の回りを絶縁層を介して取り巻き、第２胴体１２に接続される第３同軸線５４とからなる。

【0042】

この３重同軸ケーブル５０の絶縁層としては、高温環境に耐えるために、ＭｇＯ、ＳｉＯ_２、ガラス繊維などが使用されている。また、芯線５１や第１〜第３同軸線５２〜５４は、インコネル、Ｎｉ、ＮｉめっきＣｕ線などが使用される。さらには、最表面を保護用ガラスチューブで覆うことが望ましい。圧力センサ１０Ａを常温付近で使用する場合には、絶縁層はポリマーであってもよい。また、寄生容量低減のために、導線間に生じる容量を１００ｐＦ／ｍ以下に押えることが望ましい。

【0043】

ここでは、第１のモードと第２のモードによる２つのモードによる静電容量の測定が行なわれる。

【0044】

第１のモードでは、図２に示すように接地ライン（第３同軸線５４、第２胴体１２、および金属隔膜１３）に対し、芯線５１（中央電極１４）と、第１同軸線５２（第１ガード電極１５）と、第２同軸線５３（第２ガード電極１６）の全てに同一の電圧Ｖを印加して、静電容量を検出する。これにより中央電極１４と金属隔膜１３との間の静電容量が検出される。第２のモードでは、スイッチ５７を切り替え、芯線５１（中央電極１４）と第１同軸線５２（第１ガード電極１５）に同一の電圧Ｖを印加し、第２同軸線５３（第２ガード電極１６）は接地ラインに接続して、静電容量を検出する。こうすると、中央電極１４と金属隔膜１３との間の静電容量に、さらに双方の先端部１４１，１６１が互いに対向している中央電極１４と第２ガード電極１６との間の静電容量が加算された静電容量が検出される。

【0045】

上記の第１のモードおよび第２のモードの双方において、芯線５１（中央電極１４）とその芯線５１（中央電極１４）を取り巻く第１同軸線５２（第１ガード電極１５）には常に同一の電圧Ｖが印加されているため、それらの間での寄生容量は原理上は発生せず、極めて低い値に押えられる。したがって、検出回路を圧力センサ１０から離れた場所に置き、その間をケーブルで接続する構成が可能となる。また、ここでは、芯線５１などに印加される電圧Ｖは直流ではなく、波形６０で示すように、例えば１００ｍｓ周期で２値に変化する交流電圧である。このように電圧Ｖを変化させることにより、電磁ノイズを受けにくく、一層高精度な測定が可能である。

【0046】

第１モードでは、圧力を受けた金属隔膜１３と中央電極１４との間の距離の変化により変化する静電容量が検出されるが、この検出された静電容量には、環境温度変化に伴う各部材の伸縮に起因する静電容量変化分も含まれている。

【0047】

また、第２モードでは、金属隔膜１３と中央電極１４との間の静電容量については第１モードの場合と同一であるが、中央電極１４と第２ガード電極１６との間の静電容量は、圧力変化による金属隔膜１３の変化の影響はほとんど受けずに、温度変化に起因する分について静電容量が変化する。したがって、第１モードで検出される静電容量と第２モードで検出される静電容量との双方の静電容量を用いた演算により、温度変化に起因する分をキャンセルし、真に圧力変化に起因する静電容量変化分を抽出することができ、高精度な圧力測定が行なわれる。

【0048】

図３は、圧力測定装置の概要を示すブロック図である。

【0049】

この圧力測定装置７０は、図１，図２に示す圧力センサ１０Ａとの間が、３重同軸ケーブル５０で接続され、圧力センサ１０Ａからは離れた常温環境下に置かれる。

【0050】

この圧力測定装置７０は、検出回路７１、開閉回路７２、および演算回路７３を備えている。

【0051】

検出回路７１は、図２に示す波形６０のように変化する印加電圧を生成し、圧力センサ１０Ａに接続された３重同軸ケーブル５０（図２参照）にその印加電圧を与える。この検出回路７１ではさらに、その印加電圧を与えたときの静電容量に応じて流れる信号電流が検出され、その印加電圧と信号電流に基いて静電容量Ｃが求められる。この検出回路７１からは、その求められた静電容量Ｃを表わす電圧Ｖｃが演算回路７３に送られる。

【0052】

図４は、図３に示す圧力測定装置７０の各部の電圧波形を示した図である。

【0053】

横軸の１，２の数字は、それぞれ第１モード、第２モードを表わしており、ここでは第１モードと第２モードが周期Ｔで交互に繰り返されている。この周期Ｔは、この圧力測定装置７０で取り扱うことのできるサンプリング周期２２ｍｓ〜４００ｍｓの範囲内（例えば１００ｍｓ）である。

【0054】

図４（Ａ）は、検出回路７１から演算回路７３に向けた出力信号を表わしている。第１モードで検出された静電容量を表わす電圧Ｖｃ１と第２モードで検出された静電容量を表わす電圧Ｖｃ２が交互に繰り返されている。

【0055】

図４（Ｂ）は、演算回路７３から開閉回路７２に伝達される制御信号Ｓを表わしている。開閉回路７２では、この制御信号Ｓに従って、３重同軸ケーブル５０の第２同軸線５３の接続が、第１モードと第２モードとで交互に切り換えられる。

【0056】

図４（Ｃ）は、第２同軸線５３（第２ガード電極１６）に印加される電圧を示している。この第２同軸線５３（第２ガード電極１６）には、第１モードでは３重同軸ケーブル５０の芯線５１（中央電極１４）および第１同軸線５２（第１ガード電極１５）と同じ電位の電圧が印加され、第２モードでは接地される。

【0057】

図４（Ｄ）は、３重同軸ケーブル５０の第１同軸線５２（第１ガード電極１５）の電圧、図４（Ｅ）は３重同軸ケーブル５０の芯線５１（中央電極１４）の電圧を表わしている。

【0058】

このように、第１モードにおける芯線５１（中央電極１４）と第１同軸線５２（第１ガード電極１５）、第２モードではそれらに加えてさらに第２同軸線５３（第２ガード電極１６）に同一の電圧を供給しているため、それらの間の寄生容量が十分に小さい値に抑えられる。また、直流電圧ではなく、この図に示すように交流電圧とすることにより、電磁ノイズによる誤検出が抑えられる。

【0059】

図３に戻って圧力測定装置７０の説明を続ける。

【0060】

開閉回路７２は、図２に示すスイッチ５７に相当するものであり、演算回路７３からの制御を受けて３重同軸ケーブル５０を構成する第２同軸線５３を、前述した第１モードと第２モードとの間で交互に切り換える役割りを担っている。

【0061】

演算回路７３は、バッファ７３１と、演算器７３２と、記憶部７３３とを備えている。バッファ７３１には、検出回路７１から送られてきた、静電容量Ｃを表わす電圧Ｖｃがディジタル信号に変換されて一時的に蓄えられる。ここでは、第１モードで検出された静電容量を表わす電圧値をＶｃ１、第２モードで検出された静電容量を表わす電圧値をＶｃ２で表している。バッファ７３１に一時的に蓄えられた、第１モードでの電圧値Ｖｃ１と第２モードでの電圧値Ｖｃ２は、演算器７３２に入力される。

【0062】

一方、記憶部７３３には、あらかじめ求められた、２つの電圧値Ｖｃ１、Ｖｃ２を変数としたときの温度による影響をキャンセルした圧力値を求めるための校正データが記憶されている。演算器７３２は、バッファ７３１から２つの電圧値Ｖｃ１、Ｖｃ２を受け取ると、記憶部７３３を参照して、それらの電圧値Ｖｃ１、Ｖｃ２に応じた校正データを受け取り、温度の影響をキャンセルした高精度な圧力値を表わす電圧信号Ｖｏｕｔを出力する。

【0063】

このような温度補償型の圧力センサ１０Ａと圧力測定装置７０を用いると、この圧力測定装置７０を圧力センサ１０から離れた場所に設置して、温度の影響が低減された高精度な圧力を測定することができる。

【0064】

表１は、図１に示す圧力センサの各部の熱膨張率や寸法を示した表である。

【0065】

【表1】

【0066】

ここでは、中央電極１４は、線膨張定数（１／℃）が１．２Ｅ−５のコバールで作製したとし、その先端部１４１は、温度０℃において直径４．１ｍｍとする。中央電極１４と金属隔膜１３との隙間は０．２ｍｍである。この隙間内の空気の比誘電率ｅ０は８．８５Ｅ−１２である。第１および第２胴体１１，１２はインコネル６００であって、その線膨張定数（１／℃）は１．４Ｅ−５である。以上の条件下で静電容量Ｃを、
Ｃ＝ｅ０×Ｓ／ｄ
但し、ｅ０：空気の比誘電率
Ｓ：電極面積
ｄ：隙間
により算出すると、Ｃ＝０．５８３９ｐＦとなる。

【0067】

環境温度が５００℃に変化したとき、中央電極１４の先端部１４１の直径は４．１２４６ｍｍとなり、隙間は、０．２０１４ｍｍに広がる。このときの静電容量Ｃを算出するとＣ＝０．５８６８となり、０℃のときと比べ０．５％の変化率となる。

【0068】

この０．５％という値は圧力を高精度に測定することからするとかなり大きな値であり、温度補償を行なわないときは、この０．５％がそのまま測定誤差となる。これに対し、本実施形態の場合は、この０℃−５００℃の温度変化であっても、０．１％以内の誤差に抑えることが十分に可能である。しかも、圧力センサ１０から離れた位置に圧力測定装置７０を配置した状態で十分な高精度を得ることができる。

【0069】

図５は、本発明の静電容量センサの第２実施形態としての圧力センサの内部構成を示す断面図である。また、図６は、この第２実施形態の圧力センサを構成するセラミックス板を金属隔膜１３側から見た正面図である。

【0070】

図５において、図１に示す圧力センサ１０Ａの各要素に対する要素には図１において付した符号と同じ符号を付して示し、図１の圧力センサ１０Ａとの相違点について説明する。

【0071】

この図５に示す圧力センサ１０Ｂには、金属隔膜１３との間に隙間１２１を空けてセラミックス板８１が配置されている。中央電極１４は、そのセラミックス板８１に設けられたビアホール１４２を通り、セラミックス板８１の、金属隔膜１３側の表面に形成された、中央電極１４の先端部を成す先端電極１４３（図６参照）に接続される。第１ガード電極１５はそのセラミックス板８１の裏面までしか延びておらず、そのセラミックス板８１に遮られてその表面側には繋がっていない。第２ガード電極１６は、中央電極１４と同様、セラミックス板８１に設けられたビアホール１６２を経由して、そのセラミックス板８１の表面に形成された、その第２ガード電極１５の先端部を成す先端電極１６３（図６参照）に接続されている。

【0072】

中央電極１４の先端電極１４３と第２ガード電極１６の先端電極１６３との間には、図６に示すように、セラミックス板が広がる向きに間隔８１１が置かれている。この間隔８１１は蛇行しながら一周する形状を有している。これらの先端電極１４３，１６３は、厚膜印刷技術により、セラミックス板８１の表面に印刷された導体膜からなる。これらの先端電極１４３，１６３は、間隔８１１を挟んで互いに対面する部分の厚みが例えば１００μｍ以下と薄いため、図６に示すように蛇行させて互いに対面する部分の長さを確保することで、互いの間の静電容量を確保している。

【0073】

ここでは、セラミックス板８１の表面に導体膜を印刷しているため、間隔８１１を、例えば５０μｍ程度にまで狭めてしかも高精度な寸法に形成することができる。したがって、図５に示す圧力センサ１０Ｂ全体の直径Ｄを、例えばＤ＝１０ｍｍφ程度にまで小径とすることができ、狭いスペースに配置することのできる小径の圧力センサとすることができる。

【0074】

図７は、本発明の静電容量センサを変位センサに適した実施形態を示した図である。

【0075】

この変位センサ１０Ｃは、基本的には、図１に示す圧力センサ１０Ａの第２胴体１２の部分のみであって、金属隔膜１３や第１胴体１１が存在しない構造を有する。この変位センサ１０Ｃと近接物体１３Ｃとの間の距離ｄが変化すると近接物体１３Ｃと中央電極１４の検出電極面１４１ａとの間の静電容量が変化し、この静電容量を検出することで近接物体１３Ｃの変位が測定される。

【0076】

このように、本発明の静電容量センサは、圧力センサだけでなく変位センサにも適用可能であり、さらには、近接物体と中央電極の検出電極面との間の間隔に影響を与える物理量を測定するセンサとして広く適用可能である。

【符号の説明】

【0077】

１０Ａ，１０Ｂ 圧力センサ
１０Ｃ 変位センサ
１１ 第１胴体
１２ 第２胴体
１３ 金属隔膜
１３Ｃ 近接物体
１４ 中央電極
１５ 第１ガード電極
１６ 第２ガード電極
１７，１８ 絶縁体
１９ シール部材
５０ ３重同軸ケーブル
５１ 芯線
５２ 第１同軸線
５３ 第２同軸線
５４ 第３同軸線
５７ スイッチ
７０ 圧力測定装置
７１ 検出回路
７２ 開閉回路
７３ 演算回路
８１ セラミックス板
１１１ 気体導入路
１２１ 隙間
１３１ 周縁部
１３２ 中央部分
１４１，１５１，１６１ 先端部
１４１ａ 検出電極面
１４２，１６２ ビアホール
１４３，１６３ 先端電極
７３１ バッファ
７３２ 演算器
７３３ 記憶部
８１１ 間隔

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】