DE102011076448A1

DE102011076448A1 - Kapazitiver Drucksensor

Info

Publication number: DE102011076448A1
Application number: DE102011076448A
Authority: DE
Inventors: Akira Kuwahara; Takehisa Hataita; Soutaro Kishida
Original assignee: Horiba Stec Co Ltd
Current assignee: Horiba Stec Co Ltd
Priority date: 2010-05-25
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2011-12-01
Also published as: JP5714395B2; KR20110129357A; US20110290031A1; TWI476386B; CN102313623B; US8429979B2; CN102313623A; TW201202677A; JP2012008119A; KR101883499B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung ist angepasst, um zu verhindern, dass ein Diaphragma von einer Wärmebelastung verformt wird, welche von Wärmeausdehnungskoeffizienten einer Sensorhaupteinheit und eines Befestigungselements verursacht wird, und umfasst eine Sensorhaupteinheit 2, an die eine feststehende Elektrode 21 befestigt ist, eine Diaphragmastruktur 3, die einen geschlossenen Raum zwischen der Diaphragmastruktur 3 und der Sensorhaupteinheit 2 bildet, und ein Befestigungselement 4, welches an die Diaphragmastruktur 3 in einer Art des Umgebens eines Druck aufnehmenden Teils der Diaphragmastruktur 3 befestigt ist, um ein Fluid an das Druck aufnehmenden Teil zu führen, wobei die Diaphragmastruktur 3 eine flache ebene Diaphragmahaupteinheit 31 und erste und zweite Ringelemente 32, 33 umfasst, welche jeweils einen bekannten Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen und jeweils auf beiden Seiten von einem Umfang der Diaphragmahaupteinheit 31 vorgesehen sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Drucksensor zum Messen eines Druckes, durch das Erkennen einer Änderung von einer Kapazität zwischen einem Diaphragma, welches von dem Druck verschoben wird, und einer feststehenden Elektrode.
Hintergrund der Erfindung
Bei einem kapazitiven Drucksensor dieser Art, wie er zum Beispiel in der Patentliteratur 1 offenbart oder in 3 dargestellt ist, ist ein Diaphragma durch Schweißen an einen äußeren Rand einer Öffnung eines ausgesparten Abschnitts befestigt, welcher in einem Ende einer Sensorhaupteinheit ausgebildet ist, an welche eine feststehende Elektrode mittels eines Abdichtungsglases befestigt ist.
Obwohl in der Patentliteratur 1 nicht gezeigt, ist ein Flanschteil, wie in 3 dargestellt, welches an ein Element zur Ausbildung eines Strömungskanals zum Bilden eines zu messenden Strömungskanals, um damit ein Fluid an eine Druck aufnehmende Oberfläche zu leiten, durch das Schweißen an einen Umfang einer Seite der Druck aufnehmenden Oberfläche des Diaphragmas befestigt, das an die Sensorhaupteinheit geschweißt ist. Bei dem kapazitiven Drucksensor wie er oberhalb gebildet wird, strömt ein Fluid in eine Seite des Diaphragmas durch eine Einleitungsöffnung, welche in dem Flanschteil zur Verfügung gestellt wird, so dass das Diaphragma von dem Druck des Fluides verschoben wird.
Bei dem wie vorstehend aufgebauten kapazitativen Drucksensor gibt es jedoch das Problem, wenn das Diaphragma an die Sensorhaupteinheit geschweißt wird, dass die Beträge der Ausdehnung der Sensorhaupteinheit und des Diaphragmas unterschiedlich sind, da die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Sensorhaupteinheit und des Diaphragmas voneinander verschieden sind und deshalb eine Verformung aufgrund einer Wärmebelastung entsteht, welche zwischen dem Diaphragma und der Sensorhaupteinheit nach dem Schweißen verursacht wird. Obwohl es hierin in Betracht gezogen werden könnte, das Schweißen unter Berücksichtigung der Wärmeausdehnungskoeffizienten von sowohl der Sensorhaupteinheit als auch des Diaphragmas auszuführen, ist der Wärmeausdehnungskoeffizient der Sensorhaupteinheit nicht eindeutig festgelegt, da die Sensorhaupteinheit eine Baugruppe aus der feststehenden Elektrode, dem Abdichtungsglas und dergleichen ist, während der Wärmeausdehnungskoeffizient des Diaphragmas bekannt ist, da das Diaphragma aus einem einfachen Werkstoff besteht. Aus diesem Grund ist es extrem schwierig, das Schweißen unter Berücksichtigung der Wärmeausdehnungskoeffizienten von sowohl der Sensorhaupteinheit als auch des Diaphragmas zum Zeitpunkt des Schweißen auszuführen.
In dem Fall des Schweißen des Flanschteils an das Diaphragma, welches zuvor an die Sensorhaupteinheit geschweißt wurde, gibt es in ähnlicher Art und Weise ein Problem, dass eine Verformung aufgrund einer Wärmebelastung entsteht, welche zwischen dem Diaphragma und dem Flanschteil verursacht wird, weil die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Diaphragmas und des Flanschteils voneinander verschieden sind. In diesem Fall, obwohl es ebenso in Betracht gezogen werden könnte, das Schweißen unter Berücksichtigung der Wärmeausdehnungskoeffizienten und von sowohl dem Diaphragma als auch des Flanschteils auszuführen, ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des an die Sensorhaupteinheit geschweißten Diaphragmas von dem Wärmeausdehnungskoeffizient des Diaphragmas mit dem einfachen Werkstoff an sich verschieden. Aus diesem Grund ist es extrem schwierig, das Schweißen unter Berücksichtigung der Wärmeausdehnungskoeffizienten von sowohl dem Diaphragma als auch des Flanschteils zum Zeitpunkt des Schweißens auszuführen.
Bei der vorstehenden Beschreibung, obwohl die Erläuterung auf den Fall hin gemacht wurde, in dem das Flanschteil an das Diaphragma geschweißt wurde, nachdem das Diaphragma eine die Sensorhaupteinheit geschweißt wurde, gibt es ebenso ein ähnliches Problem in dem Fall, bei dem die Sensorhaupteinheit an das Diaphragma geschweißt wird, nachdem das Diaphragma an das Flanschteil geschweißt wird.
Literaturliste
Patentliteratur

Patentliteratur 1: JP 2009-300336 A

Zusammenfassung der Erfindung
Technische Probleme
Aus diesem Grund wurde die vorliegende Erfindung gemacht, zum Lösen der vorstehend erwähnten Probleme und eine wesentlichen Aufgabe von dieser ist es, zu verhindern, dass ein Diaphragma aufgrund einer Wärmebelastung, welche von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von einer Sensorhaupteinheit und einem Befestigungselement verursacht wird, verformt wird.
Lösung des Problems
Ein kapazitiver Drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung wird also angepasst, um einen Druck zu messen, durch Erkennen einer Veränderung von einer Kapazität zwischen einem Diaphragma, das von dem Druck verschoben wird, und einer feststehenden Elektrode. Der kapazitive Drucksensor umfasst: eine Sensorhaupteinheit, an die eine feststehende Elektrode befestigt ist, so dass sie einer Stirnseite der Sensorhaupteinheit ausgesetzt ist; eine Diaphragmastruktur, an eine Seite der Sensorhaupteinheit gebunden ist, um einen geschlossenen Raum zwischen der Diaphragmastruktur und der Sensorhaupteinheit zu bilden; und ein Befestigungselement, das an die Diaphragmastruktur in einer Art des Umgebens eines Druck aufnehmenden Teils der Diaphragmastruktur befestigt ist und an ein Element zur Ausbildung eines Strömungskanals zum Bilden eines zu messenden Strömungskanals angebracht ist, um ein Fluid an das Druck aufnehmende Teil zu führen. Hierin umfasst die Diaphragmastruktur: eine flache ebene Diaphragmahaupteinheit zum Bilden des Diaphragmas; ein erstes Ringelement mit einem bekannten Wärmeausdehnungskoeffizienten, das an einen Umfang der Elektrodenseite in der Diaphragmahaupteinheit befestigt und mit einer Stirnseite der Sensorhaupteinheit verbunden ist; und ein zweites Ringelement mit einem bekannten Wärmeausdehnungskoeffizienten, das an einen Umfang der Druck aufnehmenden Seite der Diaphragmahaupteinheit befestigt und mit dem Befestigungselement verbunden ist.
Da die Diaphragmahaupteinheit, welche das Diaphragma bildet, bei dieser Konfiguration an der Sensorhaupteinheit über das erste Ringelement mit einem bekannten Wärmeausdehnungskoeffizienten befestigt ist, kann eine Wärmebelastung, welche in dem Diaphragma aufgrund des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Sensorhaupteinheit verursacht wird, verringert werden. Da die Diaphragmahaupteinheit an das Befestigungselement über das zweite Ringelement mit einem bekannten Wärmeausdehnungskoeffizienten befestigt ist, kann zudem eine Wärmebelastung, welche in dem Diaphragma aufgrund des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Befestigungselements verursacht wird, verringert werden. Aus diesem Grund kann verhindert werden, dass das Diaphragma von der Wärmebelastung verformt wird, welche von den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Sensorhaupteinheit und dem Befestigungselement verursacht wird. Da die Diaphragmahaupteinheit an das erste Ringelement und das zweite Ringelement mit jeweils bekannten Wärmeausdehnungskoeffizienten befestigt ist, wird es zudem möglich, eine erwünschte Zugkraft auf das Diaphragma zu geben. Obwohl es schwieriger wird die Diaphragmahaupteinheit direkt an die Sensorhaupteinheit und das Befestigungselement zu schweißen, da das Diaphragma noch dünner wird, kann der Sensor des Weiteren auf einfache Art und Weise zusammengebaut werden, zum Beispiel durch Befestigen der Diaphragmastruktur an die Sensorhaupteinheit und das Befestigungselement, nachdem das Diaphragma durch Befestigen des ersten Ringelements und des zweiten Ringelements an das Diaphragma hergestellt wird. Sodann kann die Festigkeit der Diaphragmastruktur durch Befestigen des ersten Ringelements und zweiten Ringelements an die Diaphragmahaupteinheit erhöht werden, so dass das Befestigen ausgeführt werden kann, während eine Verformung der Diaphragmahaupteinheit unterdrückt wird.
Da die Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Ringelements und des zweiten Ringelements bekannt sind, um einen Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Diaphragmahaupteinheit vorteilhaft auszunutzen, so dass ein Messbereich oder eine Messgenauigkeit des kapazitiven Drucksensors anpassbar ist, ist es erwünscht, dass die Zugspannung des Diaphragma von den Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Ringelements und des zweiten Ringelements und dem Wärmeausdehnungskoeffizient der Diaphragmahaupteinheit eingestellt wird. D. h., der Sensor ist angepasst, um einen Messbereich zu besitzen, welcher von den Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Ringelements und des zweiten Ringelements und dem Wärmeausdehnungskoeffizient der Diaphragmahaupteinheit veränderbar gemacht werden soll.
Werden zum Beispiel die Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Ringelements und des zweiten Ringelements niedriger als der von der Diaphragmahaupteinheit gewählt, so kann die Zugkraft des Diaphragmas zum Zeitpunkt des Zusammenbaus groß gemacht werden, so dass der Messbereich des Sensors erhöht werden kann. Auf der anderen Seite kann die Zugkraft des Diaphragmas zum Zeitpunkt des Zusammenbaus klein gemacht werden, so dass der Messbereich des Sensors verkleinert werden kann (oder die Messgenauigkeit hoch gesetzt werden kann), durch Wählen der Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Ringelements und des zweiten Ringelements größer als der von der Diaphragmahaupteinheit.
Wenn die Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Ringelements und des zweiten Ringelements im Wesentlichen gleich sind, dann kann die Verformung, welche in der Diaphragmahaupteinheit bewirkt wird, so weit wie möglich verringert werden, unabhängig von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Sensorhaupteinheit oder dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Befestigungselements.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der wie obenstehend erwähnt aufgebauten vorliegenden Erfindung kann verhindert werden, dass das Diaphragma aufgrund einer Wärmebelastung verformt wird, die von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Sensorhaupteinheit und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Befestigungselements verursacht wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht, die eine schematische Konfiguration eines kapazitiven Drucksensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Schnittansicht, die hauptsächlich eine Diaphragmastruktur der gleichen Ausführungsform zeigt; und
3 ist eine Schnittansicht, die eine schematische Konfiguration eines herkömmlichen kapazitiven Drucksensors zeigt.
Beschreibung von Ausführungsformen
Eine Ausführungsform eines kapazitiven Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung wird unten stehend mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Ein kapazitiver Drucksensor 100 der vorliegenden Ausführungsform ist ein kapazitives Diaphragma-Vakuum-Messgerät entsprechend eines absoluten Druckjustiertyps eines Gesamtdruck-Messgeräts, das zum Erkennen einer Kapazität zwischen einem Diaphragma, welches von einem Druck verschoben wird, und einer feststehenden Elektrode 21, angepasst ist, so dass ein Verschiebungsbetrag des Diaphragmas in einen Wert des zu messenden Drucks umgewandelt wird. Es sei hier erwähnt, dass die Kapazität, welche zu dem Druck umgewandelt werden soll, umgekehrt proportional zu einem Abstand zwischen dem Diaphragma und der feststehenden Elektrode 21 ist.
Wie besonders in 1 dargestellt, umfasst der kapazitive Drucksensor 100 eine Sensorhaupteinheit 2, eine Diaphragmastruktur 3, welche an der Sensorhaupteinheit 2 befestigt ist, und ein Befestigungselement 4, welches an der Diaphragmastruktur 3 befestigt ist.
Die Sensorhaupteinheit 2 umfasst: eine feststehende Elektrode 21, die derart befestigt ist, um einem unteren Endabschnitt von einer Stirnseite der Sensorhaupteinheit 2 ausgesetzt zu sein; einen Hauptkörper 22, an den die feststehende Elektrode 21 eingeführt und befestigt wird; und ein Dichtelement 23, wie zum Beispiel ein Abdichtungsglas, welches zwischen der feststehenden Elektrode 21 und dem Hauptkörper 22 zum luftdichten Abdichten von beiden angeordnet ist, so dass die feststehende Elektrode 21 an dem Hauptkörper 22 befestigt ist. Der Hauptkörper 22 wird aus einem korrosionsbeständigen Edelstahl gebildet.
Die feststehende Elektrode 21 wird aus einem Leiter gebildet, welcher ein Metall, wie zum Beispiel Gold, Platin, Titan oder dergleichen enthält, welches nicht leicht korrodiert. Die feststehende Elektrode 21 der vorliegenden Ausführungsform besitzt eine im Allgemeinen säulenförmige Gestalt, da sie in ein Befestigungsloch der Elektrode 221, welches in dem Hauptkörper 22 ausgebildet ist, eingeführt wird. Eine Anschlussleitung (nicht dargestellt) ist mit einem hinteren Ende der feststehenden Elektrode 21 zum Erkennen einer Veränderung von einer Kapazität verbunden. Diese Anschlussleitung ist mit einer Ausgangsklemme verbunden, welche zum Beispiel an einem oberen Abschnitt der Sensorhaupteinheit 2 vorgesehen ist. Die Ausgangsklemme ist hierin mit einem Operationsteil (nicht dargestellt) zum Umwandeln eines veränderten Betrags einer Kapazität in ein Drucksignal verbunden.
Die Diaphragmastruktur 3 ist mit einem unteren Endabschnitt von einer Stirnseite der Sensorhaupteinheit 2 verbunden, um einen geschlossenen Raum zwischen der Sensorhaupteinheit 2 und der Diaphragmastruktur 3 zu bilden.
Wie besonders in 2 dargestellt, umfasst die Diaphragmastruktur 3 eine flach geformte Diaphragmahaupteinheit 31, welche ein Diaphragma 301 bildet, ein erstes Ringelement 32, welches an einer Umfangsseite der Elektrode 31a der Diaphragmahaupteinheit 31 vorgesehen ist und ein zweites Ringelement 33, welches an einer Druck aufnehmenden Umfangsseite 31 der Diaphragmahaupteinheit 31 vorgesehen ist.
Die Diaphragmahaupteinheit 31 besitzt eine scheibenförmige Gestalt und bildet einen Kondensator zusammen mit einer Abschlussebene, welche eine Abschlussebene von der feststehenden Elektrode 21 ist, welche einer Seite des Diaphragmas 301 zugewandt ist. Die Diaphragmahaupteinheit 31 wird von einer minimalen Änderung eines externen Drucks elastisch verformt und wird aus einer dünnen Metallplatte mit hoch korrosionsbeständigen und hitzeresistenten Eigenschaften gebildet. Die Diaphragmahaupteinheit 31 ist eine dünne Platte, welche eine Nickel-Kobalt-Legierung umfasst, welche Nickel und Kobalt als Hauptkomponenten und andere Komponenten enthält, wie zum Beispiel Wolfram, Molybdän, Titan, Chrom und dergleichen. Eine Dicke des Films beträgt zum Beispiel mehrere Zehntel um, um eine Empfindlichkeit in Bezug auf eine Änderung eines externen Drucks zu erhöhen. Es sei hier vermerkt, dass die Diaphragmahaupteinheit 31 eine dünne Platte sein kann, welche eine Nickel-Legierung aufweist, welche Nickel als eine Hauptkomponente und andere Komponenten enthält, wie zum Beispiel Eisen, Chrom, Niob und dergleichen.
Das erste Ringelement 32 ist konzentrisch mit der Diaphragmahaupteinheit 31 an der Umfangsseite der Elektrode 31a der Diaphragmahaupteinheit 31 vorgesehen und besitzt eine ringförmige Gestalt mit einem äußeren Durchmesser, welcher für gewöhnlich gleich dem der Diaphragmahaupteinheit 31 ist. Eine Abschlussebene (d. h. untere Oberfläche in 2) des ersten Ringelements 32 ist durch Schweißen an die Umfangsseite der Elektrode 31a der Diaphragmahaupteinheit 31 befestigt. Eine weitere Abschlussebene (d. h. obere Oberfläche in 2) des ersten Ringelements 32 gegenüber der Ebene, welche an der Diaphragmahaupteinheit 31 befestigt ist, ist durch Schweißen an einen Umfang von einer Abschlussebene des Hauptkörpers 22 der Sensorhaupteinheit 2, welche konzentrisch mit der feststehenden Elektrode 21 ist, befestigt. Das erste Ringelement 32 wird aus einem leitfähigen Metall mit korrosionsbeständigen und hitzeresistenten Eigenschaften gebildet und besitzt einen bekannten Wärmeausdehnungskoeffizienten. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das erste Ringelement 32 aus einer Nickel-Legierung gebildet, welche Nickel als eine Hauptkomponente und andere Komponenten enthält, wie zum Beispiel Eisen, Chrom, Niob und dergleichen.
Das zweite Ringelement 33 ist konzentrisch mit der Diaphragmahaupteinheit 31 an der Druck aufnehmenden Umfangsseite 31b der Diaphragmahaupteinheit 31 vorgesehen und besitzt eine ringförmige Gestalt mit einem äußeren Durchmesser, welcher für gewöhnlich gleich dem der Diaphragmahaupteinheit 31 ist. Eine Abschlussebene (d. h. obere Oberfläche in 2) des zweiten Ringelements 33 ist durch Schweißen an die Druck aufnehmende Umfangsseite 31b der Diaphragmahaupteinheit 31 befestigt. Eine weitere Abschlussebene (d. h. untere Oberfläche in 2) des zweiten Ringelements 33 gegenüber der Ebene, welche an die Diaphragmahaupteinheit 31 befestigt ist, ist durch Schweißen an eine Abschlussebene von einem zylindrischen Teil 42 des Befestigungselements 4 befestigt. Ähnlich zu dem ersten Ringelement 32, wird das zweite Ringelement 33 von einem leitfähigen Metall mit hoch korrosionsbeständigen und hitzeresistenten Eigenschaften gebildet und besitzt einen bekannten Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das zweite Ringelement 33 aus einer Nickel-Legierung gebildet, welche Nickel als eine Hauptkomponente und andere Komponenten enthält, wie zum Beispiel Eisen, Chrom, Niob und dergleichen.
Das Befestigungselement 4 ist in einer Art des Umgebens eines Druck aufnehmenden Abschnitts (d. h. Druck aufnehmende Oberfläche 301a des Diaphragmas 301) der Diaphragmastruktur 3 vorgesehen und an ein Element zur Ausbildung eines Strömungskanals 200 zum Bilden eines Strömungskanals L der für die Messung anvisierten Strömung befestigt, um ein Fluid in den Druck aufnehmenden Abschnitt 301a einzuleiten. Das Befestigungselement 4 umfasst ein Flanschteil 41, welches an das Element zur Ausbildung eines Strömungskanals 200 befestigt ist und welches einen Verbindungspfad 411 besitzt, welcher zum Verbinden mit dem zur Messung anvisierten Strömungskanal L ausgebildet ist, und weist zudem einen zylindrische Teil 42 auf, welcher in einer Art des Umgebens einer Öffnung des Verbindungspfads 411 des Flanschteils 41 ausgebildet ist. Das zweite Ringelement 33 ist durch Schweißen an eine obere Abschlussoberfläche des zylindrischen Teils 42 befestigt. Das Befestigungselement 4 wird hierin von einem Edelstahl mit korrosionsbeständigen und hitzeresistenten Eigenschaften gebildet.
Bei dieser Konfiguration des kapazitiven Drucksensors 100 der vorliegenden Ausführungsform sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Sensorhaupteinheit 2 und des Befestigungselements 4 von dem der Diaphragmahaupteinheit 31 verschieden und der Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Ringelements 32 ist der gleiche wie der des zweiten Ringelements 33. Noch präziser, bestehen das erste Ringelement 32 und das zweite Ringelement 33 aus dem gleichen Werkstoff, so dass beide Ringelemente den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen.
Der (lineare) Wärmeausdehnungskoeffizient der Sensorhaupteinheit 2 soll ungefähr 16 × 10^–6[1/°C] betragen, weil dessen Hauptwerkstoff Edelstahl ist. Ähnlich dazu beträgt der (lineare) Wärmeausdehnungskoeffizient des Befestigungselements 4 ungefähr 16 × 10^–6[1/°C]. Des Weiteren beträgt der (lineare) Wärmeausdehnungskoeffizient der Diaphragmahaupteinheit 31 ungefähr 12 × 10^–6[1/°C], weil dessen Werkstoff eine Nickel-Kobalt-Legierung ist. Des Weiteren betragen die (lineare) Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Ringelements 32 und des zweiten Ringelements 33 ungefähr 11,5 × 10^–6[1/°C], weil deren Werkstoff eine Nickel-Legierung ist. Auf diese Weise sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Ringelements 32 und des zweiten Ringelements 33 näher am thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Diaphragmahaupteinheit 31 als an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Sensorhaupteinheit 2 und des Befestigungselements 4, so dass eine Wärmebelastung, welche möglicherweise aufgrund des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Diaphragmahaupteinheit 31 verursacht wird, welcher von den Wärmausdehnungskoeffizienten der Sensorhaupteinheit 2 und des Befestigungselements 4 verschieden ist, soweit reduziert werden kann, damit dieser so gering wie möglich ist.
Abschließend wird unten stehend kurz ein Beispiel eines Verfahrens für den Zusammenbau des kapazitiven Drucksensors 100 beschrieben.
Als erstes wird die feststehende Elektrode 21 zusammen mit dem zylindrischen Glasteil 23 in das Befestigungsloch der Elektrode 221 eingeführt, welches in dem Hauptkörper 22 ausgebildet ist. Dann werden das Glasteil 23 und die feststehende Elektrode 21 an den Hauptkörper 22 unter Verwendung eines Montagegestells (nicht dargestellt) befestigt und das Glasteil 23 wird erhitzt und in einem Ofen geschmolzen, so dass die feststehende Elektrode 21 durch Glasschmelzen an dem Hauptkörper 22 befestigt wird.
In der Zwischenzeit werden das erste Ringelement 32 und das zweite Ringelement 33 jeweils konzentrisch durch beispielsweise Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen oder Lichtbogenschweißen an eine Oberfläche und die andere Oberfläche der scheibenförmigen Diaphragmahaupteinheit 31 geschweißt, welche durch Schneiden einer dünnen Metallscheibe, welche von einem Walzverfahren gebildet wird, erhalten wird, um die Diaphragmastruktur 3 zu bilden. Da die Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Ringelements 32 und des zweiten Ringelements 33, welche an die Diaphragmahaupteinheit 31 geschweißt werden sollen, zu diesem Zeitpunkt bekannt sind, ist es möglich, dass Schweißen unter Berücksichtigung der jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten auszuführen, so dass eine Verformung des Diaphragmas 301 reduziert werden kann und das Diaphragma 301 kann ebenso angepasst werden, damit es eine gewünschte Zugkraft besitzt.
Zusätzlich zum Anpassen der Zugkraft des Diaphragmas 301 basierend auf einem Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Diaphragmahaupteinheit 31, des ersten Ringelements 32 und des zweiten Ringelements 33, wird die Diaphragmahaupteinheit 31 erhitzt und von einer Wärmequelle vergrößert, wie zum Beispiel einer Halogenlampe, die zum Zeitpunkt des Schweißen des ersten Ringelements 32 und des zweiten Ringelements 33 an die Diaphragmahaupteinheit 31 zur Verfügung gestellt wird, so dass die Beträge der Wärmeausdehnung des ersten Ringelements 32 und des zweiten Ringelements 33 und der Diaphragmahaupteinheit 31 zum Zeitpunkt des Befestigens ebenfalls angepasst werden können, um die Zugkraft des Diaphragmas 301 anzupassen, nachdem dieses befestigt wurde.
Danach wird das erste Ringelement 32 der Diaphragmastruktur 3 durch Schweißen, wie zum Beispiel Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen oder Lichtbogenschweißen, an einer Stirnseite der Sensorhaupteinheit 2 befestigt. Des Weiteren wird das zweite Ringelement 33 der Diaphragmastruktur 3 durch Schweißen, wie zum Beispiel Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen oder Lichtbogenschweißen, an das zylindrischen Teil 42 des Befestigungselements 4 befestigt. Auf diese Weise kann der kapazitive Drucksensor 100 zusammengebaut werden.
<Effekt der vorliegenden Ausführungsform>
Gemäß dem oben stehend gebildeten kapazitiven Drucksensor 100 der vorliegenden Ausführungsform kann eine Wärmebelastung, welche in der Diaphragmahaupteinheit 31 aufgrund des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Sensorhaupteinheit 2 hervorgerufen wird, verringert werden, da die Diaphragmahaupteinheit 31, welche das Diaphragma 301 bildet, an die Sensorhaupteinheit 2 mit Hilfe des ersten Ringelements 32 mit einem bekannten Wärmeausdehnungskoeffizienten befestigt ist. Des Weiteren kann eine Wärmebelastung, die in der Diaphragmahaupteinheit 31 aufgrund des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Befestigungselements 4 verursacht wird, verringert werden, da die Diaphragmahaupteinheit 31 mit dem Befestigungselemente 4 mithilfe des zweiten Ringelements 33, welcher einen bekannten Wärmeausdehnungskoeffizient besitzt, verbunden ist. Somit kann verhindert werden, dass das Diaphragma 301 von einer Wärmebelastung, welche von den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Sensorhaupteinheit 2 und des Befestigungselements 4 verursacht wird, verformt wird. Zudem kann eine gewünschte Zugkraft auf das Diaphragma 301 aufgebracht werden, da die Diaphragmahaupteinheit 31 an dem ersten Ringelement 32 und dem zweiten Ringelement 33 befestigt ist, welche jeweils einen bekannten Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. Obwohl es darüber hinaus schwieriger wird, die Diaphragmahaupteinheit 31 direkt an die Sensorhaupteinheit 2 und das Befestigungselement 4 zu Schweißen, da das Diaphragma dünner wird, kann der Zusammenbau des Sensors 100 durch die Anpassung des Anordnens des Diaphragmas 301 zwischen das erste Ringelement 32 und das zweite Ringelement 33 erleichtert werden.
<Andere veränderte Beispiele>
Es sei erwähnt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt ist und verschiedene Abänderungen können wie folgt berücksichtigt werden.
Obwohl der Hauptkörper 22, die Sensorhaupteinheit 2, das erste Ringelement 32, das zweite Ringelement 33, die Diaphragmahaupteinheit 31 und das Befestigungselemente 4 jeweils aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, können bei dem obenstehend beschriebenen kapazitiven Drucksensor 100 der vorliegenden Ausführungsform diese zum Beispiel komplett aus einem gemeinsamen Werkstoff (zum Beispiel Edelstahl) gebildet werden. Da die Diaphragmahaupteinheit 31 an das erste Ringelement 32 und das zweite Ringelement 33 befestigt ist, ist es in diesem Fall zudem nicht notwendig, den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Sensorhaupteinheit 2 zu berücksichtigen und die Verformung für das Diaphragma durch die Sensorhaupteinheit 2 kann verringert werden.
Durch das geeignete Auswählen der Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Ringelements 32 und des zweiten Ringelements 33 und des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Diaphragmahaupteinheit 31, kann die Zugkraft des Diaphragmas, welches in der Diaphragmahaupteinheit 31 enthalten ist, ebenfalls angepasst werden. Durch Auswählen des thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Ringelements 32 und des zweiten Ringelements 33 auf ein Wert größer als demjenigen der Diaphragmahaupteinheit 31 kann die Zugkraft des Diaphragmas verringert werden, so dass der Messbereich kleiner eingestellt werden kann (d. h. die Empfindlichkeit kann höher gemacht werden), da die Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Ringelements 32 und des zweiten Ringelements 33 größer als derjenige der Diaphragmahaupteinheit 31 sind. Werden auf der anderen Seite die Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Ringelements 32 und des zweiten Ringelements 33 kleiner als derjenige der Diaphragmahaupteinheit 31 gewählt, dann kann die Zugkraft des Diaphragmas erhöht werden, so dass der Messbereich erweitert werden kann.
Obwohl die Diaphragmastruktur 3 an die Sensorhaupteinheit 2 nach dem Zusammenbau der Diaphragmastruktur 3 geschweißt wird, kann bei dem Verfahren für den Zusammenbau der oben stehend beschriebenen vorliegenden Ausführungsform dieses in einer Art und Weise gebildet sein, dass die Diaphragmahaupteinheit 31 an das erste Ringelement 32 geschweißt wird, nachdem das erste Ringelement 32 an die Sensorhaupteinheit 2 geschweißt wird und danach wird das zweite Ringelement 33 an die Diaphragmahaupteinheit 31 geschweißt, und dann wird das Befestigungselement 4 an das zweite Ringelement 33 geschweißt. Zudem kann es in einer Art und Weise gebildet sein, dass die Diaphragmahaupteinheit 31 an das zweite Ringelement 33 geschweißt wird, nachdem das zweite Ringelement 33 an das Befestigungselement 4 geschweißt wird, und danach wird das erste Ringelement 32 an die Diaphragmahaupteinheit 31 geschweißt, und dann wird die Sensorhaupteinheit 2 an das erste Ringelement 32 geschweißt.
Außerdem könnte in Betracht gezogen werden, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Ringelements auf einen Zwischenwert zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Sensorhaupteinheit und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Diaphragmahaupteinheit festgelegt wird. Bei dieser Konfiguration kann die Verformung des Diaphragmas, welche aufgrund eines Unterschieds zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Sensorhaupteinheit und des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Diaphragmahaupteinheit verursacht wird, verringert werden, um so gering wie möglich zu sein. Ähnlich dazu könnte es in Betracht gezogen werden, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des zweiten Ringelements auf einen Zwischenwert zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Befestigungselements und des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Diaphragmahaupteinheit festgelegt wird, um die Verformung des Diaphragmas zu verringern, welche aufgrund eines Unterschieds zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Befestigungselements und des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Diaphragmahaupteinheit verursacht wird, so dass diese so gering wie möglich wird.
Obwohl bei der oben stehend beschriebenen vorliegenden Ausführungsform der Wärmeausdehnungskoeffizient der Diaphragmahaupteinheit von den Koeffizienten des ersten Ringelements und des zweiten Ringelements verschieden ist, kann der Wärmeausdehnungskoeffizient der Diaphragmahaupteinheit für gewöhnlich gleich den Koeffizienten des ersten Ringelements und des zweiten Ringelements gewählt werden. Bei dieser Konfiguration sind die Temperatureffekte der Diaphragmahaupteinheit, des ersten Ringelements und des zweiten Ringelements für gewöhnlich gleich, so dass eine von einer Wärmebelastung verursachte Verformung, welche die Diaphragmahaupteinheit von dem ersten Ringelement und dem zweiten Ringelement erfährt, so weit wie möglich verringert werden kann. Auf diese Weise kann die Messgenauigkeit des Sensors verbessert werden.
Zusätzlich dazu braucht nicht erwähnt zu werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und unterschiedliche Änderungen und Abwandlungen von dieser innerhalb eines Bereichs gemacht werden können, soweit diese nicht von dem Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung abweichen.
Bezugszeichenliste

100: kapazitiver Drucksensor
2: Sensorhaupteinheit
21: feststehende Elektrode
3: Diaphragmastruktur
301: Diaphragma
31: Diaphragmahaupteinheit
32: erstes Ringelement
33: zweites Ringelement
4: Befestigungselement
L: zu messender Strömungskanal
5: Element zur Ausbildung eines Strömungskanals

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009-300336 A [0007]

Claims

Kapazitiver Drucksensor, welcher zum Messen eines Drucks angepasst ist, durch Erkennen einer Veränderung von einer Kapazität zwischen einem Diaphragma, das von dem Druck verschoben wird, und einer feststehenden Elektrode, mit: einer Sensorhaupteinheit, an die eine feststehende Elektrode befestigt ist, so dass sie auf einer Seite freigelegt ist eine Diaphragmastruktur, welche an eine an eine Seite der Sensorhaupteinheit gebunden ist, um einen geschlossenen Raum zwischen der Diaphragmastruktur und der Sensorhaupteinheit zu bilden; und ein Befestigungselement, das an die Diaphragmastruktur in einer Art des Umgebens eines Druck aufnehmenden Teils der Diaphragmastruktur befestigt ist und an ein Element zur Ausbildung eines Strömungskanals zum Bilden eines zu messenden Strömungskanals angebracht ist, um ein Fluid an das Druck aufnehmende Teil zu führen, wobei die Diaphragmastruktur umfasst: eine flache ebene Diaphragmahaupteinheit zum Bilden des Diaphragmas; ein erstes Ringelement mit einem bekannten Wärmeausdehnungskoeffizienten, das an einen Umfang der Elektrodenseite in der Diaphragmahaupteinheit befestigt und mit einer Stirnseite der Sensorhaupteinheit verbunden ist; und ein zweites Ringelement mit einem bekannten Wärmeausdehnungskoeffizienten, das an einen Umfang der Druck aufnehmenden Seite der Diaphragmahaupteinheit befestigt und mit dem Befestigungselement verbunden ist.
Kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 1, wobei eine Zugkraft des Diaphragmas von den Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Ringelements und des zweiten Ringelements und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Diaphragmahaupteinheit eingestellt wird.
Kapazitiver Drucksensor gemäß Anspruch 1, wobei die Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten Ringelements und des zweiten Ringelements im Wesentlichen gleich sind.