JP2001503146A - ダイアフラムたわみセンサ列を有する流体圧検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 流体圧検出装置（２）はシステム流体から独立した再利用可能な部分（５）と使捨て部分（８）とを有する。使捨て部分（８）は中空部（３５）を画成する囲い部分（１１）を有し、囲い部分（１１）の一つの壁はシステムの作動圧に曝されている可撓性ダイアフラム（２５）により構成される。再利用可能な部分（５）はシステム圧がかからないダイアフラム（２５）の側面近傍の位置にセンサ列（６２）を備える。センサ列（６２）は半径方向において内側と外側の組（７８、７９および８０、８１）として配設された複数の検出要素（７８〜８１）を有し、各組はダイアフラム（２５）の中心部のたわみを優先的に検出するようにされている．流体システム内の流体圧を代表する出力信号は組（７８、７９および８０、８１）の検出要素（７８〜８１）からのたわみ信号の比に基づいて確立される。好ましくは検出要素（７８〜８１）は等しい露出表面積を有する容量プレートを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】 ダイアフラムたわみセンサ列を有する流体圧検出装置 技術分野 本発明は圧力のかかった流体の技術分野、特にシステム内の流体圧を計測する ためのセンサに関する。 背景技術 様々な分野において流体圧の大きさを制御するために管内またはシステム内の 流体の圧力を計測することが望まれている。例えば、医学の分野では患者へ流体 を送り、そして患者から流体を抽出するのに用いられるシステム内の圧力は概し て正確に制御されなければならない。このようなシステムでは調整目的で流体圧 を定期的かつ継続的に監視できるように患者へ送られ、或いは患者から抽出され た流体媒体と流体学的に流通している流体圧センサを組み込むことが一般的であ る。これら流体圧検出装置には様々な形態があり、システムの圧力を直接計測す る変換器、部材のたわみを正確に検出する変位センサ、システム圧により部材に かかる力を計測するのに使われるロードセル、及び可撓性を有する部材の位置を 正確に検出する位置センサがある。 圧力検出装置から信頼できる情報を得るためにはこの圧力検出装置が正確に較 正されなければならない。公知の検出装置の構造ではその正確さを維持するため に正確に且つ周期的にこの装置を較正しなければならない。概してこの装置はそ れらが使用される特定の状況に対して非常に影響を受けやすい。現場較正を実行 することが必要とされることが多い。即ち、検出装置は一般的に初めに流体シス テム全体に組み込まれ、その後、この検査装置を現場較正せしめられなければな らない。較正自体は特に検出位置または圧力に応答する部材のたわみに基づいた 作動圧を決定するのに用いられる検出装置に関しては必要とされる。このような 状況では製造誤差や圧力に応答する部材の実際の反りに起因する初期の静的状態 での検出装置と圧力に応答する部材との間の距離は概して圧力測定結果に影響を 及ぼす。 実際には或る状況下では現場較正の必要性は問題とならない。このことは特に かなり長い時間途切ず作動し且つこれらの使用後に分解されないシステムには当 てはまる。しかしながら流体ポンプシステム全体あるいはその大部分を使用後に 交換する必要がある多数の他の分野では、検出装置の継続的な再較正には時間と 費用がかかる。このことは特に医療分野で顕著であり、潜在的な汚染の問題に起 因して流体ポンプシステム本体の主要な部分を捨てるか、最低限でも使用後に消 毒することが必要である。 上記に鑑みると、検出装置をシステムの残りの部分に組立てた際に流体装置内 の圧力に応答する部材の動きを正確に計測するのに用いられ、且つ圧力に応答す る部材と検出装置との間の相対距離の変動に本質的に影響を受けない検出装置が 必要とされる。さらに簡単に較正ができ、或いは現場較正を必要としない検出装 置が必要とされる。 発明の開示 本発明によれば検出装置はシステム流体から独立した再利用可能な部分と使捨 て部分とを有する。この使捨て部分は中空部を画成する囲い部分を有し、この囲 い部分の一つの壁はダイアフラムである。囲い部分は少なくとも一つの入口ポー トを有し、この入口ポート はダイアフラムの第一の側面をシステムの作動圧にさらす。 再利用可能な部分はその内部にダイアフラムの第二の側面に隣接した位置にセ ンサ列を備える。このセンサ列は組で配置された複数の検出要素を有する。少な くとも二組の検出要素が設けられ、各組は入口ポートを通って中空部内へ流入す る流体流によるダイアフラム中央部分の変位を優先的に検出するようにされてい る。各組の検出要素から得た信号は中空部内の流体圧、そしてこれに対応する流 体システム全体内の流体圧を代表する出力信号を決定するのに用いられる。 本発明の好適実施例によれば検出要素は内側と外側とのプレートの組として配 置された容量プレートを構成する。組となった容量プレートは並列に配置され、 互いから半径方向に離間および独立している。組となった容量プレートからの信 号の比は圧力出力信号を決定するのに使用されるが、ダイアフラムからの設置位 置の変動に対する影響は受けない。 このような構成では検出装置は概して容量プレートとダイアフラムとの間に設 けられた距離に対する影響を受けず、特定の範囲での零点較正が要求され、さら に検出装置の使捨て部分は好ましくはプラスチック部品および金属ダイアフラム で安価に作られることができ、Ｏリングの使用により検出装置の残りの部分を密 閉する。 本発明の流体圧検出装置の更なる特徴や有利な点は、図と合わせてみることで 以下の好適実施例から明らかになろう。同じ参照番号は同様な要素を表す。 図面の簡単な説明 図１は本発明の第一実施例に従って考案された検出装置の断面概略図である。 図２は第二実施例に従って考案された検出装置の断面概略図である。 図３は本発明の検出装置内に組み込まれた容量センサ列の正面図である。 図４は線図的な図３のセンサ列の回路図である。 発明を実施するための最良の形態 初めに図１を参照すると、本発明に従って考案された流体圧検出装置が概して ２で示されている。流体圧検出装置２は再利用可能な部分５と使捨て部分８とを 有する。使捨て部分８は環状の側壁１４と基部１６とを有する囲い部分１１によ り構成される。環状側壁１４は環状の上方リム１９で終端し、また下方出張り部 分２２を有する。囲い部分１１は可撓性を有するダイアフラム２５により部分的 に構成され、このダイアフラム２５は下方出張り部分２２において環状側壁１４ に固定される端部２６を有する。好適実施例では可撓性を有するダイアフラム２ ５はステンレス鋼で作られ、波状部分３１を備えている。勿論、本発明の精神か ら逸脱することなくダイアフラムを形成する際に他の電気伝導性のある金属を用 いることができる。 囲い部分１１は入口ポート３４を備え、これにより囲い部分１１内に画成され た中空部３５に流体が流入できる。図示したように導管３６は入口ポート３４に 配置され、囲い部分１１は導管４１が取り付けられた出口ポート３９を備える。 この構造ではシステムからの圧力のかかった流体（好適実施例では負圧流体、即 ち大気圧以下の流体）は中空部３５に導管３６と入口ポート３４とを通って流入 する。そして圧力のかかった流体は可撓性ダイアフラム２５に作用し、ダイアフ ラムをたわませる。流体は中空部３５と出口ポート３ ９と導管４１とを通って流れる。勿論、中空部３５に流入する流体の圧力が高い ほど可撓性ダイアフラムのたわみ量が大きい。 流体圧検出装置２の再利用可能な部分５は図示したように基部４６と環状の側 壁４８とにより画成されたハウジング４４を有する。環状側壁４８はＯリング５ ２を用いて囲い部分１１の上方リム１９に密封状態で適合せしめる環状の端部５ ０を備える。図示した実施例ではハウジング４４は電子制御装置５６を備え、こ の電子制御装置５６は全体を５９で示されている構造を介してセンサ６２を支持 し、このセンサ６２は上述した中空部３５に流体が流入することにより生じる可 撓性ダイアフラム２５の動き又はたわみを検出するのに適している。好適実施例 ではセンサ６２は以下に詳述する容量センサ列を構成する。導管６５は図示した ようにハウジング４４内に通じる。導管６５は可撓性ダイアフラム２５の一方の 側面６６に作用する初期設定圧をハウジング４４に提供するのに用いられる。勿 論、これは中空部３５に提供される圧力により可撓性ダイアフラム２５の第二の 側面６７上に作用する力により釣り合う。以下で詳述するが、導管６５は電位較 正のために設けられる。 ここで上記構造についての追加の詳細な説明をするに当たって図２および図３ を参照し、本発明に従って構成された流体圧検出装置の第二実施例を説明する。 第二実施例の構造の多くは第一実施例と同一であるので、同じ部品と考えられる ものには同じ番号を用いた。上述したようにセンサ６２は容量センサ列を具備す るのが好ましい。この容量センサ列は第一、第二、第三および第四の容量プレー ト７８〜８１からなり、各容量プレートは可撓性ダイアフラム２５の側面６６に 向かって露出した表面を有するものとして図示されている。容量プレート７８〜 ８１は少なくとも２枚の容量プレートを有する組で並べられる。好適実施例では ２組の検出要素が図示され ており、容量プレート７８と７９が第一組を構成し、容量プレート８０と８１が 第二組を構成する。可撓性ダイアフラム２５は金属で作製されているので、容量 プレート７８〜８１に近づいたり離れたりする可撓性ダイアフラム２５のたわみ は電子制御装置５６へ送信される検出静電容量に影響する。これら信号は概して 電圧であり、容量プレート７８〜８１には１インチ四方当たりの予め定められた 電圧−圧力が設定される。容量プレート７８と７９は可撓性ダイアフラム２５の 中心に向かって配置されているので明らかに容量プレートは大きなたわみを検出 し、従ってダイアフラム２５が容量プレート７８〜８１に近いほど静電信号は大 きくなるので容量プレートはこれに対応して大きな静電容量信号を有することと なる。 この構成は図３に明示されており、容量プレート７８および７９は容量プレー ト８０および８１の半径方向内側に位置する。さらに好適実施例では各容量プレ ート７８〜８１の間で等しい容量電位が確立されるように容量プレート７８〜８ １の露出面８４〜８７の面積は等しい。第一組および第二組の容量プレート７８ 、７９および８０、８１により出力されたたわみ信号は上述した電子制御装置５ ６に送られ、そして電子制御装置５６（図を分かりやすくするために図２には図 示していない）はこれらのたわみの信号に基づいて中空部３５内の流体圧を決定 する。明らかに中空部３５の流体圧はシステム全体の圧力と一致する。本発明に よれば決定された流体圧は第一組および第二組の検出要素から得られたたわみ信 号の比として確立された出力信号として送られる。図４の線図に示したようにこ れらの信号は電子制御装置５６では並列信号形態で与えられる。 図３に示したように半径が異なる二組の容量プレート７８、７９および８０、 ８１の使用により容量測定値の比がダイアフラム２５の中央部分の反りに対して 大きな影響を受けるようになる。図２に 破線で図示したように端部２６近傍ではダイアフラム２５のたわみは非常に小さ いが、ダイアフラム２５の中央部分では非常に大きな動きが生じる。しかしなが ら両方の組の容量プレート７８、７９と８０、８１は相対的に等しく影響される ので、流体圧検出装置２の使捨て部分８の取付け変動による容量プレートの位置 は静電容量の比に最小限の変化しか引き起こさない。このことにより電気信号出 力において狂いが最小限であるように流体圧検出装置２を組み立て、圧力による ダイアフラムの変形に対する最高感度を維持することができるようになる。ダイ アフラムを横断する差圧に対して波状部分を備えたダイアフラム２５の中央部分 は大きな直線運動特性をとり、これによりダイアフラムが容量プレート列センサ システムとの作動に非常に適するようになる。 内側および外側の検出要素をこのように構成し、第一組および第二組の検出要 素から得られるたわみ信号の比に基づく圧力表示信号を確立することには、現場 較正を必要とすることなく正確にシステム圧を検出できる圧力検出装置を提供す るに当たって非常に利点があることが分かった。より詳細には容量プレート７８ 〜８１は内側および外側の組の検出要素として配列されているのでセンサ６２は 初期に設定されたセンサ６２とダイアフラム２５との間の距離に対して敏感では ない。しかしながら容量センサ６２はダイアフラムの反りに対しては非常に敏感 である。容量プレートを並列に配置し、半径方向内側および外側の容量プレート ７８、７９および８０、８１の信号比を得ることにより、非常に真実かつ正確な たわみ全体の信号が電子制御装置５６に入力され、これら信号の各々はシステム の流体圧を代表する出力信号を決定するに当たって電子制御装置により用いられ る。流体圧検出装置２の初期組立時のセンサ６２とダイアフラム２５との間の距 離を非常に正確にすることは重要でない ので、この全体構成により使捨て部分８の誤差が大きくてもよくなる。金属のダ イアフラムはヒステリシスの影響が小さいのでダイアフラム２５の材料に金属を 用いることにも利点がある。 概してセンサ６２の様々な検出要素の配置およびダイアフラム２５に沿って半 径方向に離間した位置から得られる多数のたわみ信号はシステム流体圧を代表す る信号を更に正確なものとし、このことは基本的に使捨て部分８を再利用可能な 部分５に組立てた後のセンサ６２とダイアフラム２５との間の距離に関係しない 。このように影響を受けないようにしたことにより、新しい使捨て部分８を再利 用可能な部分５に組立てる度に全ての範囲で流体圧検出装置２を較正する必要が なくなる。しかしながら選択的または周期的な較正目的のために流体圧検出装置 ２ａのハウジング４４ａには枝管９１と枝管９２とに分かれた導管６５ａを有す る。枝管９１および９２は対応の流量制御弁９３、９５を備える。好ましくは枝 管９１は流量制御弁９３の下流側で大気に開放され、枝管９２は圧力源（図示せ ず）に接続される。導管６５ａからは圧力変換器９９に達する補助的な導管９７ が分岐している。 枝管９２に取り付けられた圧力源は様々な形態をとることができる。しかしな がら好適実施例では正圧源が提供される。この構成では圧力源は本実施例では中 心ポート１００を通ってダイアフラム２５の側面６６に作用し、ダイアフラム２ ５を押して容量プレート７８〜８１から離す。この圧力は圧力変換器９９により 読み込まれ、圧力変換器９９により決定された圧力を電子制御装置５６により決 定された出力信号に関連づけることによりセンサ６２を較正するのに用いられ、 上記出力信号は組となっている容量プレート７８、７９および８０、８１から得 た信号に基づいて決定される。その後、第二の流量制御弁９５が閉弁され、第一 の流量制御弁９３がハウジ ング４４ａの通常の作動圧を再び確立するために開弁せしめられる。 上記を鑑みるに図１および図２に示された実施例間の唯一本質的な相違は明ら かなように導管６５ａに対する導管６５の配置であり、中空部３５がダイアフラ ムの接線方向の流れを受けるのに対し、中空部３５ａがダイアフラム２５の側面 ６７に対して垂直に配設された少なくとも一つの導管１０２によりシステム圧に 曝されていることである。いずれにしても検出要素の構成および代表的なシステ ム流体圧信号の決定方法に関しては、これら実施例は同じように機能する。 本発明の好適実施例について説明したが、本発明の精神から逸脱することなく 本発明に対して様々な変更や修正を行えることは容易に理解できる。例えば、図 示して説明した好適実施例では二組の検出要素のみが与えられているが、追加の 組を用いてもよい。さらに第一組および第二組の容量プレート７８、７９および ８０、８１から得られた信号の比は好ましくは代表的なシステム流体圧信号を確 立するに当たり用いられているが、この代表的な信号を各組の容量プレート７８ 、７９と８０、８１から得られた信号の関数に基づいて決定することもできる。 さらに本発明の範囲内で他のタイプの変位・たわみセンサを使用することもでき る。概して本発明は以下の請求の範囲によってのみ限定される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ， ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，Ｍ Ｘ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 フランゾーサ，ポール アメリカ合衆国，マサチューセッツ 02174，アーリントン，サイトゥエート ストリート 178

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．中空部を画成する囲い部分を具備し、該囲い部分が可撓性を有するダイア フラムから形成された少なくとも一つの壁部分を有し、前記ダイアフラムが第一 側面と第二側面とを有すると共に該第一側面が前記中空部に露出しており、前記 囲い部分が前記中空部内に開口する少なくとも一つの流体ポートを有し、 前記ダイアフラムの第二側面に近接して配置されたセンサ列を具備し、該セン サ列が少なくとも第一および第二の組として配設された複数の検出要素を有し、 これら第一および第二の各々の組の検出要素が前記少なくとも一つの流体ポート を通って前記中空部内に流入する流体による前記ダイアフラムの位置の移動を検 出するようにされており、 前記第一および第二の組の検出要素から入力信号を受け、前記中空部の流体圧 を代表する出力信号を前記入力信号から発生する制御装置を具備する流体圧検出 装置。 ２．前記検出要素の各々が容量センサを具備する請求項１に記載の流体圧検出 装置。 ３．前記第一の組の検出要素が前記第二の組の検出要素に対して並列に前記制 御装置に接続される請求項２に記載の流体圧検出装置。 ４．前記容量センサの各々は前記ダイアフラムの第二の側面に露出した等しい 表面積を有する請求項４に記載の流体圧検出装置。 ５．前記第一および第二の組の検出要素は半径方向において内側および外側の 組の検出要素として配設される請求項１に記載の流体圧検出装置。 ６．前記検出要素の各々は容量プレートを具備する請求項５に記 載の流体圧検出装置。 ７．前記第一の組の検出要素は前記第二の組の検出要素に対応する露出した表 面積に等しい対応する露出した表面積を有する請求項６に記載の流体圧検出装置 。 ８．前記出力信号は前記第一および第二の組の検出要素から得られた入力信号 の比に基づいて決定される請求項１に記載の流体圧検出装置。 ９．前記囲い部分はプラスチックで作製されている請求項１に記載の流体圧検 出装置。 １０．前記ダイアフラムは金属で作製されている請求項９に記載の流体圧検出 装置。 １１．センサ列が取り付けられたハウジングをさらに具備し、該ハウジングが 前記囲い部分に密封状態で取り付けられるようにされている請求項１に記載の流 体圧検出装置。 １２．前記ハウジングと前記囲い部分との間に配置されたＯリングをさらに具 備する請求項１１に記載の流体圧検出装置。 １３．前記ハウジングへ開口した流体入口と、 該流体入口を通って前記ハウジング内の圧力レベルを変えるための圧力変化手 段と、 前記ハウジング内の圧力を検出する変換器とを具備する請求項１１に記載の流 体圧検出装置。 １４．前記流体入口は一対の枝管に分岐せしめられ、前記圧力変化手段は一対 の流量制御弁を備え、各流量制御弁は前記枝管の対応する一つに配設される請求 項１３に記載の流体圧検出装置。 １５．可撓性ダイアフラムから形成された少なくとも一つの壁部分を有する囲 い部分を提供する工程と、 少なくとも第一および第二の組として配設された複数の検出要素 を有するセンサ列を前記可撓性ダイアフラム近傍に配置する工程と、 前記可撓性ダイアフラムをたわませるために前記囲い部分の中空部を流体シス テムの圧力に曝す工程と、 前記第一および第二の組の検出要素の各々により前記可撓性ダイアフラムの一 部のたわみを検出する工程と、 前記第一および第二の組の検出要素から得られたたわみ信号に基づいて前記シ ステムの流体圧を決定する工程とを具備する流体システムにおける圧力検出方法 。 １６．各検出要素として容量センサを使用する工程をさらに具備する請求項１ ５に記載の流体システムにおける圧力検出方法。 １７．前記第一および第二の組の検出要素を半径方向において内側と外側の組 の検出要素として配設する工程をさらに具備する請求項１５に記載の流体システ ムにおける圧力検出方法。 １８．前記第一および第二の組の検出要素から得られたたわみ信号の比として 前記出力信号を確立する工程をさらに具備する請求項１５に記載の流体システム における圧力検出方法。 １９．前記可撓性ダイアフラムに向かって露出した等しい表面積を前記第一お よび第二の組の検出要素に提供する工程をさらに具備する請求項１５に記載の流 体システムにおける圧力検出方法。 ２０．前記流体システムの減圧に続いて前記囲い部分を捨てる工程をさらに具 備する請求項１５に記載の流体システムにおける圧力検出方法。