JP2005539240A - 静電容量式圧力センサ - Google Patents

Abstract

実質的に円筒形のプラットホームおよびプラットホームの端面に接合された測定膜を備えた圧力センサのスパンエラーを最小化することを目的として、圧力測定セルは、圧力測定セルの膜支持端面に対して支持される弾性シールリングと、圧力測定セルの背面に対して支持する支持リングとの間で軸方向にクランプされる。支持リングの寸法は、シールリングの寸法と同等である。このようにすることで、圧力測定セルの軸方向のクランプによって膜支持端面に生じる放射状のゆがみが十分に小さくなり、また、軸方向のクランプ力を少なくとも１０％低減させることによって生じる圧力センサのスパンエラーは０．０２％を超えないようにされる。加えて、支持リングとクランプリングとの間に、剛性を有するデカップリング要素が配置され、これが、スパンの温度ヒステリシスを最小化する。支持リングおよびデカップリング要素の外形は、ＦＥＭによって繰り返すことで決定される。

Description

本発明は、静電容量式圧力センサに関し、特に、静電容量性の、セラミック圧力センサに関する。

かかる圧力センサは、液体、ガスあるいは真空中の処理媒体にかかる圧力を測定するための処理測定技術において再三用いられてきている。実質的に、かかる圧力センサには、プラットホームおよびセラミック膜あるいは隔膜から構成される、とりわけセラミックプラットホームおよびセラミック膜から構成される圧力測定セルが含まれている。プラットホームは浅い空洞を備えている。空洞は膜床と呼ばれ、膜によって大きさが伸縮する。測定操作中膜は圧力媒体の圧力により負荷がかけられており、静電容量的あるいは抵抗的に決定される弾性膜のゆがみが、その圧力を示す。かかる圧力測定セルは、例えば、独国出願公開第３９０１４９２号にて開示されている。

測定操作中、圧力測定セルは、通常、媒体側にあり、膜を保持するセンサ末端に対して支持されている弾性シールと、膜とは反対側に面したプラットホーム側部を軸方向に支える支持リングとの間に、軸方向にクランプされる。これは、例えば独国出願公開第４２１３８５７号に示されている。

所定の圧力における膜のゆがみが膜の実効剛性に依存している限りにおいて、較正後に、その圧力センサの測定範囲に渡って膜の剛性をできるだけ一定に保つことが必要である。そこで、半径方向の力が圧力測定セルにできる限りかからないようにすることがとりわけ重要である。というのは、半径方向に関し中心に向かって作用する力は、膜の剛性を低下させ得るし、半径方向に関し外部に向かって作用する力は、膜の剛性を増大させ得るからである。

出願係属中の独国特許出願第１０２２９７０３．７号において、権利譲受人は、シールリングと、軸方向においてプラットホーム背面に弾性力によるたわみをもたらす支持リングとの間に、軸方向に圧力測定セルをクランプすることについて開示している。支持リングの外形が適正に圧力測定セルの外形とつりあっていないと、たわみは、膜支持端面（膜を支持している端面：membrane-bearing end surface）の領域内でのプラットホームの半径方向のゆがみへとつながる。ここで、支持リングの内径は、特にクリティカルに可変であることがわかっている。仮に支持リングの支持面（bearing surface）が大きすぎるとすれば、すなわち内径が小さすぎるとすれば、圧力測定セル内にかかる軸方向のクランプ力、あるいは、圧力測定セルにおけるモーメントは、結局、半径方向に関し外部に向かう、測定膜のゆがみとなってしまう。

同様に、シールリングに面した終端も、支持リングの支持面が小さすぎる場合、すなわち支持リングの内径が大きすぎる場合、弾性的に半径方向に関し内側に向かう力でゆがむ。

既に述べた、端面の半径方向のゆがみは、これが一定であるならば容認できる。しかし、これは実用的な話ではない。というのも、半径方向のゆがみというのは、特に時間や温度に交互に依存する、弾性シールリングの軸方向に関するクランプ力の作用であり、シールリングを介して、軸方向に関するクランプ力が伝わるからである。一例として、新規に導入したシールリングを備えた圧力センサは、８０℃に加熱されると、その軸方向に関するクランプ力は、不可逆的に５００Ｎからおよそ４００Ｎまで減少する。

ゆえに、半径方向のゆがみの変化は、実用的な観点からすると、単に、軸方向のクランプ力最大時であってもそれほど半径方向のゆがみが生じないように設計することによって防止し得るものである。

したがって、独国特許出願第１０２２９７０３．７号における解決手段は、所定の容積および物質の特質を備えた圧力測定セルが、測定膜との接合部分において圧力セルの半径方向のゆがみを大きく除去する、支持リングの内径を確認するアプローチを用いている。これにより、軸方向のクランプ力の変化による膜の剛性が誤差範囲内のエラーとして許容できるほどに低減される。

１０２２９７０３．７号に示される圧力センサは、第１の直径および第１の厚みを備え、実質的に円筒形のプラットホームと、第２の直径および第２の厚みを備え、前記プラットホームの端面上に接合された測定膜とを含み、前記圧力測定セルは、第３の直径および第３の厚みを備え、該圧力測定セルの前記膜支持面に対して配置された弾性シールリングと、第４の外径、第４の内径および第４の厚みを備え、該測定膜とは反対側に面する該圧力測定セルの背面に対して力がかかる支持リングとの間で軸方向にクランプされたことを特徴とする圧力測定セルが含まれ、前記支持リングの寸法は前記シールリングの寸法に一致し、該圧力測定セルの軸方向に関するクランプに起因する半径の膜方向の端面のゆがみは非常に小さく、軸方向に関するクランプ力が少なくとも１０％低減されることで、発生する前記圧力センサのスパンエラーは、前記スパンのおよそ０．０２％未満に抑えられる。

スパンエラーは、この接続部分においては、軸方向のクランプ力を最大圧力での測定値と非加圧時での測定値との間で縮めた場合に起こる差分が、クランプ力最大時における対応する差分とのずれが生じていることと関連がある。

軸方向の全クランプ力は、例えば、新規のシールリングを備えたセンサに用いられる軸方向のクランプ力と関連しており、かかるシールリングは、温度あるいは時間の変化後も、依然所定の圧力が安全に保持されている。軸方向のクランプ力は、例えば、３５０Ｎから５５０Ｎの間にあり、圧力センサのシールの型および比例する圧力、すなわち圧力センサの仕様に依存する所定の場合に選択されたクランプ力がかかる。

より近年の実験的調査によれば、支持リングはプラットホームに安全に接合されているかあるいは不可欠のものとして共に構成されていることから、変形は、スパンエラーに重きをおくことにより管理がより容易にされ得るものであることが示されている。

しかし、スパンの温度ヒステリシスに関する結果はこれら変形にとっては不十分である、すなわち、ヒステリシスに起因するスパンエラーは非常に大きいものであることを示している。

現在理解されている範囲では、温度ヒステリシスとは、異なる熱膨張係数を有するコンポーネント間に不適切なゆるみが生じる結果である。この点において特に重要なのは、支持リングのクランプに関しては、スレッドを設けたリング、クランプしているリング間である。

そこで、本発明は、軸方向のクランプの変化に基づくスパンエラー、および温度ヒステリシスの双方が低減される圧力センサを提供することを目的とする。
その目的は、独立請求項１に記載された圧力センサ、および独立請求項１５に記載された方法によって達成される。

本発明によれば、圧力センサは、
第１の直径および第１の厚みを有し、実質的に円筒のプラットホームと、第２の直径および第２の厚みを有し、該プラットホームの端面に接合された測定膜とを備えた圧力測定セルと、
第３の直径および第３の厚みを有する弾性シールリングと、
第４の外径、第４の内径および第４の厚みを有し、前記測定膜とは反対側に面する前記圧力測定セルの端面と堅固に接続された支持リングと、
第１の係合手段を有するクランプリングと、
シールするための軸方向支持面および前記第１の係合手段と係合する第２の係合手段を有し、圧力測定セルを収容するためのハウジングと
を備え、
前記圧力測定セルは、前記ハウジングの軸方向支持面と前記圧力測定セルの膜支持端面との間に配置された前記弾性シールリングと、前記支持リングとの間に、前記クランプリングによって軸方向にクランプされ、
さらに、剛性デカップリング要素が、前記クランプリングと前記支持リングとの間に配置され、
前記支持リング、および必要な際には前記デカップリング要素の大きさが、前記シールリングおよび前記圧力測定セルの大きさに一致することで、該圧力測定セルの軸方向のクランプが起こす、前記膜支持端面の半径方向のゆがみは非常に小さく、該圧力センサの軸方向のクランプ力が少なくとも１０％低減されることに基づく前記圧力センサのスパンエラーは０．０２％未満にまで抑制され、該スパンの温度ヒステリシスは０．０３％未満にまで低減される。

温度ヒステリシスは、例えば、センサが室温から１５０℃まで加熱され、−４０℃まで冷却され、最後に室温にまで戻されるような、温度サイクルの前後に決定される。同様に、最大温度まで加熱する前に、最低温度まで冷却することとしてもよい。

支持リング、および必要な際にはデカップリング要素の大きさは、少なくともクランプ力を２０％低減させた場合のスパンエラーが０．０２％未満に抑制されるように最適化されるのが好ましい。支持リング、および必要な際にはデカップリング要素の大きさは、少なくともクランプ力を１０％低減させた場合のスパンエラーが０．０１％未満に抑制されるように最適化されるのが更に好ましい。

更には、支持リングおよび必要な際にはデカップリング要素の大きさは、スパンの温度ヒステリシスが０．０２％未満、より好ましくは、０．０１％未満に抑制されるように最適化することもできる。

プラットホームと測定膜は、一般的に好適なセラミック材料、特にコランダムのような、同一の物質からなるのが好ましい。測定膜は、プラットホームと略同一の直径を備えているのが好ましい。特に、セラミック圧力センサにおいては、測定膜は、ろう付けあるいはガラスによって、プラットホームの端面に固定されているのが好ましい。更に好ましい実施形態においては、接合には、焼結したコランダムが使用される。

一般に好適な実施形態として、支持リングはプラットホームと同一の物質で構成される。これは、支持リングがプラットホームと同じ熱膨張係数を有するという点において利益がある。支持リングは、少なくともプラットホームを構成する物質と同程度の剛性を備えていることが好ましい。支持リングの外径は、プラットホームの直径よりも小さくてはならず、同じであるのが好ましい。一般に好ましい実施形態においては、支持リングは、プラットホームと永久接合されている。これは半田によってなされ、好ましくは、活性ろう付けあるいは接着剤によるのが好ましい。最後に、支持リングおよびプラットホームは、ひとつの部品として製造することもできる。支持リングは、少なくともプラットホームと同じ厚みを備えることが好ましい。

デカップリング要素は、それを構成する物質が、支持リングを構成する物質の力学的性質と比較できるような力学的性質を備えるほどの剛性を有する。
デカップリング要素は、クランプリング、ハウジングおよび支持リングの熱膨張係数が各々異なるので、特に支持リングのゆがみを最小化させることができる。

目下、デカップリング要素として２つの可変部を有することが好ましい。
第１の変形例においては、デカップリング要素は、好ましくは支持リングと同一の外径および内径を有するデカップリングリングから構成される。更に好ましくは、デカップリングリングは、支持リングと略同じ厚みを備える。デカップリングリングの表面は、支持リング表面からの力を受ける。デカップリングリングと支持リングとの間の摩擦を最小限に抑えるための手段が任意に備えられる。このためには、例えばテフロン（登録商標）のような合成樹脂層、あるいは箔、ダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ、Diamond Like Carbon）のような硬質で摩擦のない物質からなる膜、あるいはモリブデン二硫化物のような潤滑油が用いられる。

第２の変形例においては、デカップリング要素は、補剛板から構成される。補剛板は、支持リングに対して自由に配置されていることとしてもよいし、支持リングに接続されていることとしてもよいし、あるいは支持リングと補剛板は１部品であってもよい。温度ヒステリシスを低減させるという観点からは、補剛板と接合していることによる影響はない、と現在考えられている。好ましくは、補剛板は、支持リングと同一の外径を有する。特に、補剛板の厚みは、本発明に係るセンサを最適化する際においては可変のパラメータとされるものである。

クランプリングは、スレッドリング（スレッドを設けたリング）から構成されて、このスレッドリングがその外側表面上のスレッドにより実現される第１の係合手段を備えているのが好ましい。第２の係合手段が、円筒形ハウジング部内の対応する内部スレッドから構成され、これに上記スレッドリングが係合することで、デカップリング要素および支持リングを介して軸方向のクランプ力を圧力測定セルに作用させるようにする。

これより、本発明について、以下の図面で示される実施形態に基づいてより詳細に説明する。
図１に示される圧力センサには、プラットホームおよびコランダムの測定膜から構成される圧力測定セル６が含まれる。測定膜は、活性ろう付けによってプラットホームの正面表面に固定されている。コランダムの支持リングは、その外径はプラットホームの直径Φ１に等しく、活性ろう付けによってプラットホームの背面表面に固定されている。圧力測定セル６および支持リング２は、ステンレススチールのハウジング内に配置されている。ハウジングは、円筒形の測定セルチャンバ１およびプロセス接続フランジ７を有する。フランジ７は、測定セルチャンバ１の終端開口部に配置される。プロセス接続フランジ７は、測定セルチャンバ１の円筒形の壁から内側に向かって半径方向に延長されており、こうして、弾性シールリング８を収容するための環状溝７１が形成された軸方向支持面を形成している。圧力測定セル６は、その膜支持端面で、シールリング８を軸方向に加圧している。

クランプ力は、シールリング８の圧縮およびその弾性特性により決定される。シールリングの圧縮は、スレッドリング５の位置を介して圧力センサの組立時に設定される。スレッドリング５は、デカップリング要素を介して、ここではデカップリングプレート４を介して、支持リング２に背面から作用する。シールリング８の弾性特性は、加圧下におけるシールリングの時間あるいは弾性にしたがって変化する。本実施形態において記載されている例においては、初期のクランプ力は５００Ｎである。使用するにつれてシールリングが弾性化するのに伴い、例えば、スチームでのセンサの洗浄サイクルによって、クランプ力は４００Ｎにまで減少する。

クランプ要素の例について、図２ａから２ｃの図面において詳細に示されている。
図２ａにおいては、デカップリングリング４１がデカップリング要素として設置されている。テフロン（登録商標）層がデカップリングリング４１と支持リング２との間に配置されている。スパンの温度ヒステリシスは、支持リング２を挿入することで０．１５％からおよそ０．０１％にまで低減された。

図２ｂおよび図２ｃは、デカップリング要素が剛性デカップリングプレートによって実現される変形例を示している。図２ｂにおいては、デカップリングプレート４２および支持リング２は、１つの部品として形成されている。図２ｃにおいては、デカップリングプレート４は、支持リングに固定されていない。スパンエラーおよびスパンエラーの温度ヒステリシスを低減させるという観点からは、支持リングとのデカップリングプレートの接続４３のしかたは重要でない、すなわち、ヒステリシスは、支持リングとデカップリングプレートを１つの部品にすること、デカップリングプレートを自由にすることあるいはデカップリングプレートをろう付けによって支持リングに固定することで非常に低減され得る。

デカップリングプレートの厚みとして支持リングの厚みの１０分の１を用いることで、スパンの温度ヒステリシスは０．１５％から０．０３％まで低減され、一方、指示リングと同じ厚みのデカップリングリングでは、スパンの温度ヒステリシスは０．０１％にまで低減された。同時に、軸方向のクランプ力が２０％になる変形例におけるスパンエラーは、０．０２％になった。

支持リングの最適な内径Φ２を決定することについて、以下の実施形態で説明される。所定の直径は以下のとおりである。プラットホームの直径Φ１＝３２．４ｍｍ、プラットホームの厚みＴ１＝５ｍｍ、膜の厚み１６０μｍ、活性ろう付け層の厚み５５μｍ。

ＦＥＭを用いて、圧力測定セルの第１のゆがみが、軸方向のクランプ力が５００Ｎから４００Ｎになる際における支持リングの様々な内径毎に決定され、これによって微細な圧力（使用された圧力測定セルに対して１７０ｍｂａｒ）で負荷をかけたときに結果として起こるスパンは、ＦＥＭで算出されたのと同様であった。スパンエラーは、５００Ｎのクランプ力と４００Ｎのクランプ力とでスパンを比較することによって求められた。算出時間の短縮のため、支持リングは、まず無限剛体であるものと仮定した。

図３ａから図３ｃは、プラットホームと測定膜との間の接合部における、その内側の縁周辺部分にかかる軸方向のクランプによる圧力測定セルのゆがみを支持リングの異なる内径Φ２に対して、ベクトルで示したものを表示している。

図３ａにおいては、内径は２７．８ｍｍである。この内径は大きすぎる。図中の５００Ｎのクランプ力でのベクトル場は、放射状内向方向の変位を示しており、その変位は、膜の剛性を減少させるものである。かかる環境におけるスパンは、こうしてより大きくされる。クランプのかからないセルと比較すると、スパンの変化はおよそ＋０．８％になる。クランプ力が４００Ｎの場合は、スパンの変化はおよそ＋０．６４にまでされる。結果、スパンエラーは−０．１６％となる。

図３ｂにおいては、内径は１０．０ｍｍである。この内径は小さすぎる。図中の５００Ｎのクランプ力でのベクトル場は、放射上外向方向の変位を示しており、その変位は、膜の剛性を増大させるものである。かかる環境におけるスパンは、こうしてより小さくされる。クランプのかからないセルと比較すると、スパンの変化はおよそ−０．１％になる。クランプ力が４００Ｎの場合は、スパンの変化はおよそ−０．０８％にまでされる。結果、スパンエラーは＋０．０２％となる。

図３ｃにおいては、内径は２３．２ｍｍである。この値がほぼ理想である。図中の５００Ｎのクランプ力でのベクトル場は、膜の剛性に変化が起こりうる膜接合部の領域においては、放射状の変位はほとんど見られない。クランプのかからないセルと比較すると、スパンの変化はおよそ−０．０１％になる。４００Ｎのクランプ力においては、スパンの変化はおよそ−０．００８％にまで減少する。このように、スパンエラーは＋０．００２％となる。

以上の結果、圧力測定セルの与えられた直径について、大きく圧力測定セルの軸方向のクランプ力による放射状のゆがみを取り除くような支持リングの内径が認められている。これを実施する際には、支持リングは、十分な剛性や軸方向の支持に関する仮定をそのまま当てはめられるよう、圧力測定セルの厚みよりも薄いものでないことが好ましい。

先に判定した支持リングのデータを５００Ｎおよび４００Ｎの軸方向のクランプ力に対する圧力センサの全部品のゆがみを判定する際の始点として、ＦＥＭが用いられた。ここで、同一の弾性係数すなわち同一のコランダムの弾性係数が、圧力測定セルにおけるデカップリングプレート、支持リング、プラットホームおよび膜に対して仮定された。ＶＡスチールが、ハウジングおよびクランプリング用軸受金として特定された。ゆがみの結果として起こるスパンは、同様にしてわずかに加圧してＦＥＭで算出された。スパンエラーは、上記の通り、５００Ｎのクランプ力および４００Ｎのクランプ力におけるスパンを比較することによって判定された。０．０２％未満のスパンエラーが判定された。

ＦＥＭは、スパンの温度ヒステリシスを確認するため、温度サイクル（室温−＞−４０℃−＞１５０℃）の間の部品のゆがみを判定するのにも同様に用いられた。デカップリングプレートの厚みを変化させることによって、スパンの温度ヒステリシスが好ましい制限値の０．０３％未満にあるような外形が確認された。さらに、支持リングの外形および強度を許容可能な値で様々に変えて繰り返してみることで、さらなる改善が見込まれるであろう。

本発明に係る圧力センサの一部を表した図である。 図２ａから２ｃは、本発明に係る圧力センサのデカップリング要素についての異なる変形例についての概略図である。 図３ａから３ｃは、軸方向のクランプの下で圧力センサのゆがみについてのＦＥＭデータである。

Claims (15)

1. 第１の直径および第１の厚みを有し、実質的に円筒のプラットホームと、第２の直径および第２の厚みを有し、該プラットホームの端面に接合された測定膜とを備えた圧力測定セルと、
   第３の直径および第３の厚みを有する弾性シールリングと、
   第４の外径、第４の内径および第４の厚みを有し、前記測定膜とは反対側に面している前記圧力測定セルの端面と堅固に接続された支持リングと、
   第１の係合手段を有するクランプリングと、
   シールするための軸方向支持面および前記第１の係合手段と係合する第２の係合手段を有し、圧力測定セルを収容するためのハウジングと
   を備え、
   前記圧力測定セルが、前記ハウジングの軸方向支持面と前記圧力測定セルの膜支持端面との間に配置された前記弾性シールリングと、前記支持リングとの間に、前記クランプリングによって軸方向にクランプされる圧力センサにおいて、
   剛性デカップリング要素が、前記クランプリングと前記支持リングとの間に配置され、
   前記支持リングおよび前記デカップリング要素の大きさは、前記シールリングおよび前記圧力測定セルの大きさに一致することで、該圧力測定セルの軸方向のクランプが起こす、前記膜支持端面についての半径方向のゆがみは非常に小さく、軸方向のクランプ力が少なくとも１０％低減されることに基づく前記圧力センサのスパンエラーは０．０２％未満にまで抑制され、該スパンの温度ヒステリシスは０．０３％未満にまで低減される
   ことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記支持リングの内径は、クランプ力を少なくとも２０％低減させる場合のスパンエラーがおよそ０．０２％を超えないように選択される
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記支持リングの内径は、クランプ力を少なくとも１０％または少なくとも２０％低減させる場合のスパンエラーがおよそ０．０１％を超えないように選択される
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
4. 前記スパンの温度ヒステリシスは、０．０２％を超えないように、特に好ましくは０．０１％を超えない
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
5. 前記プラットホームおよび前記測定膜は同一の材料から構成され、特にセラミック材料である
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の圧力センサ。
6. 前記支持リングおよび／あるいは前記デカップリング要素は、前記プラットホームとして同一の材料から構成される
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の圧力センサ。
7. 前記支持リングは、少なくとも前記プラットホームと同一の厚みを備える
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の圧力センサ。
8. 前記デカップリング要素は、デカップリングプレートから構成される
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の圧力センサ。
9. 前記デカップリングプレートは、前記支持リングの外径に等しい直径を備える
   ことを特徴とする請求項８に記載の圧力センサ。
10. 前記デカップリングプレートは、前記支持リングに固定されていない
    ことを特徴とする請求項８または９に記載の圧力センサ。
11. 前記デカップリング要素は、デカップリングリングから構成される
    ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の圧力センサ。
12. 前記デカップリングリングは、前記支持リングとほぼ同一の寸法を備える
    ことを特徴とする請求項１１に記載の圧力センサ。
13. 摩擦を最小化するための手段が前記支持リングと前記デカップリングリングとの間に設けられている
    ことを特徴とする請求項１１または１２に記載の圧力センサ。
14. 前記支持リングと前記デカップリングリングとの間の静摩擦係数は、０．２未満である
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の圧力センサ。
15. 上記請求項のいずれか１項に記載の圧力センサのための、支持リングおよびデカップリング要素の直径の反復最適化方法であって、
    （１）前記デカップリング要素および前記支持リングの外形を決定するステップと、
    （２）第１の軸方向クランプ力の下における、前記圧力センサの第１のスパン変化を算出するステップと、
    （３）第２の軸方向クランプ力の下における、前記圧力センサの第２のスパン変化を算出するステップと、
    （４）前記第１のスパン変化を前記第２のスパン変化と比較することによってスパンエラーを判定するステップと、
    （５）前記スパンエラーを評価するステップと、
    （６）必要ならば前記スパンエラーが十分に小さい条件下において、スパンの温度ヒステリシスを判定し、該スパンの温度ヒステリシスを評価するステップと、
    （７）前記支持リングおよび必要ならばデカップリングリングの外形を変化させ、スパンエラーが十分に小さくかつ該スパンの温度ヒステリシスが十分に小さいような最適な外形が見つかるまで、（２）から（７）のステップを繰り返すステップと、
    を含むことを特徴とする方法。

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