JP2006215029A - 圧力・温度共用トランスデューサー - Google Patents

Abstract

【課題】例えば、最高温度１８０℃までの高温流体で使用できる状態感知トランスデューサーの提供。
【解決手段】特に高温流体に適する圧力・温度共用トランスデューサー１０が、感知素子組立体を有し、これは、流体流路に配置するように構成された管状プローブ２０の先端に取り付けられる。感知素子１２が含む感圧ダイヤフラム１２ｇは、管状プローブの開放端部を閉鎖し、感圧ダイヤフラムに結合されたピエゾ抵抗ゲージが設けられる。ワイヤが、ゲージ素子と、第１の熱抵抗性印刷回路基板（ＰＣＢ）との間に結合される。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧力・温度共用トランスデューサーに係わり、具体的には、温度変化と圧力変化の両方を感知するために歪ゲージ技術を利用して、斯かる変化に関する信号を作り出し、また電子部品を用いて、前記信号を処理し、増幅するトランスデューサーに関するものである。

本発明が関係する種類の歪ゲージ技術を利用した従来技術の圧力トランスデューサーの例が、本発明の譲受人による米国特許第６７４２３９５号（２００４年６月１日発行）で開示されており、その主題を引用によって本明細書の記載として援用する。その特許において、トランスデューサーは、一端部に流体受け入れ開口が形成された管状ポート金具と、反対側端部に一体に形成された閉じたダイヤフラムとを有するものとして説明されている。開口を有する平坦な端壁を有する支持部材が、該開口がダイヤフラムに接合された歪ゲージ感知素子と整合する選択された方向性をもって台座上に錠止されている。回路基板が支持部材に装架され、該回路基板が、感知信号を調整して増幅するための電子部品を搭載している。電線が、歪ゲージ感知素子と、回路基板の回路基板パッドとに結合され、シリコーンゲルによって封入されている。

支持部材に取り付け可能なカバーが、螺旋ばね接触部材を装架するために用いられ、螺旋ばね接触部材を回路基板の着地帯域に係合させるように位置づける。螺旋ばね接触部材は、カバーの縦方向に延びる空所内に閉じ込められ、該空所は、カバーが支持部材に取り付けられた時に着地帯域と整合する。エラストマー製環境オーリング・シールまたはガスケット部材が、カバー表面の円周溝内に受容される。概ねカップ形状のＥＭＣ遮蔽体が、回路基板に面するカバーの側面に形成された室に配設され、遮蔽体にはタブが設けられ、これがカバーの側壁の開口から外向きに、側壁の外周面を越えて延びる。カバーは支持部材に錠止され、螺旋ばね接触部材は、カバーの縦方向の空所に受け取られ、その一方端部がカバーから突出する。電気コネクタである六角形金属ハウジング部材が、カバー上に配設される。電気コネクタは、螺旋ばね接触部材との電気接続用の接触着地帯域として働く端子の折曲部分を有する。螺旋ばね接触部材は、カバー部材から突出して、前記端子を回路基板着地帯域に電気接続する。ＥＭＣ遮蔽体のタブは、ばね付勢されて金属ハウジング部材と電気接触する。ハウジング部材とコネクタは、選択された負荷をエラストマー製ガスケット部材に加え、ハウジングはその下部周囲で、管状ポート金具に取り付けられた支持フランジに溶接されて流体シールを形成し、エラストマー製ガスケット部材への選択負荷を維持する。

前記特許に従って作られたトランスデューサーは、非常に有効であり、広く使用されているが、高温流体（例えば、最高１８０℃までの温度の流体）での使用には適しない。

本発明の目的は、高温流体（例えば、最高１８０℃までの流体）で使用できる状態感知トランスデューサーを提供することである。別の目的は、圧力と温度の両方を監視できるトランスデューサーを提供することである。本発明の更に別の目的は、迅速かつ正確で、良好な動的応答性を有する圧力・温度共用トランスデューサーを提供することである。

簡単に述べると、高温流体（例えば、温度１８０℃に達するガス等の流体）の、圧力および温度を監視するために特に有用な、本発明の好適形態としてのトランスデューサーが、管状プローブ部材の一端で受ける感知素子を含む。第１耐熱印刷回路基板（ＰＣＢ）が、管状プローブ部材内に配設され、かつ、支持リングに取り付けられ、該支持リングが感知素子に取り付けられる。感知素子は、該感知素子に接合されたピエゾ抵抗歪計ガラスを有し、該ピエゾ抵抗歪計ガラスは、第１ＰＣＢと共にホイートストーン・ブリッジを形成して、温度と圧力の測定を可能にする。第１ＰＣＢは、歪計との接続のためのワイヤ接合パッドと、接触部材との接続のための着地パッドとを含む。

ＡＳＩＣおよび関連する受動素子を装架する大きな第２のＰＣＢが、トランスデューサーに配設されるが、これは第１のＰＣＢからは物理的に分離される。第１ＰＣＢと第２ＰＣＢの相互間電気接続は内部コネクタによって行なわれる。内部コネクタは、細長い、軸線方向歪吸収接触部材を含み、該接触部材は管状プローブ部材内に挿入された樹脂部材によって絶縁される。軸線方向歪吸収接触部材は、部品精度のばらつきによって生じる軸線方向の歪、および、温度変化に起因する接触部材の長さ変化によって生じる軸線方向の歪を吸収する。第２ＰＣＢは、内部コネクタの頂部に配置され、ＥＭＣ遮蔽体およびカバーは、第２ＰＣＢの頂部に配設される。螺旋ばねは、第２ＰＣＢと外部コネクタ組立体との電気接続を行なうが、外部コネクタ組立体は、端子ピンと共にモールド成形された樹脂製コネクタ本体と、金属製六角形ハウジングとを含む。好適例において、流体流路を有する導管内の感知素子の直接配置を容易にするために、管状プローブ部材に外部ねじ付き部分および気密シール面が設けられる。この配置は、迅速かつ正確な応答を促進する。

感知器の先端は、温度１８０℃までの高温に耐えるように設計され、同時に調整電子部品は、周囲温度を利用して電子部品を許容できる温度まで冷却して、前記接触システムによって物理的に分離される。

本発明のその他の目的および特徴について、一部は以下で説明し、一部は以下の説明から自明であろう。本発明の目的および利点は、特許請求の範囲の記載で特に指摘する構成および組み合わせによって実現され、達成可能である。

添付図面は、本発明の好適例を示し、本発明の目的、利点および原理を説明する。

本発明の好適例による圧力・温度共用トランスデューサー１０を、図１〜３に示す。感知素子１２（特に図４および９〜１３を参照）が、ステンレス鋼等の適切な材料で形成され、トランスデューサーの一端または先端に装着され、また、プローブの端部で受けるために概ね円筒形である。プローブは、適切な材料（望ましくは、感知素子１２の材料と同じ材料）で形成されたねじ付き管２０を含む。選択された角度方位を与え易くするために、感知素子１２の外周面に、円筒形着座隆起部１２ａおよび平坦部１２ｂが形成されている。縮小直径の軸線方向に延びる部分１２ｃには、その周囲に位置合わせ平坦部１２ｄが、また、半径方向外方に延びる唇状部分１２ｅが設けられ、これは以下で論じる下部支持リング・キャッチ（引っ掛け部）１４ｂを受ける。感知素子１２には、平坦なダイヤフラム１２ｇを規定する空所１２ｆが形成される。図面の配向に関して上面１２ｈは、以下に論ずるそれに結合された４つのピエゾ抵抗歪計ガラス１２ｋを有する。

適切な熱杭で支えることのできる樹脂材料から成る下部支持リング１４には、側壁１４ａが設けられ、そこに受取キャッチ１４ｂが形成される。支持リングは、ダイヤフラム面１２ｈと位置合わせされる開放中央スペースを画成し、また、支持リングの上面から上向きに延びるピン１４ｃが設けられる。支持リングは、内側周囲と外周面の両方に形成される平坦な位置決め面を有し、外側平坦部１４ｄは、以下に論ずる感知器の内部コネクタと後で位置合わせされ、内側平坦部は、感知素子１２と位置合わせされる。第１の下方耐熱印刷回路基板（ＰＣＢ）１６が、支持リングの頂部で受承され、熱杭１４ｃが、ＰＣＢを取り付けるための各開口１６ｂを通じて受容される。ＰＣＢ１６には、ダイヤフラム面１２ｈと位置合わせされた中央開口１６ｃも形成され、また４つの歪ケージと一緒にホイートストーン・ブリッジを形成し、それによって温度および圧力を測定することが可能となる。ＰＣＢ１６は、接触パッドを備えるが、それらは、ダイヤフラム１２ｇの歪ゲージと電気接触するワイヤ接合パッド１６ｄと、内部コネクタの接触ピンのための着地パッド１６ｅとを含む。

ゲル堰体１８は、ＰＣＢ１６の頂部に受け取られ、ダイヤフラム面１２ｈと位置合わせされた中央開口を画成する側壁１８ａと、両対向側の側壁１８ａから径方向外方に延び、両側それぞれの一対の接触ピン受取開口１８ｃが設けられた底壁１８ｂとを含む。分割された錠止ピン１８ｄが、底壁１８ｂから下向きに突出して、ＰＣＢ１６および支持リング１４の孔からの受け取りを錠止する。ゲル堰体の機能は、ワイヤ接合構造物の周りにゲルを配置するための溜り部を提供し、同時に、ワイヤ接合パッド１６ｄと内部コネクタの接触ピン用の着地パッド１６ｅとの間の物理的障壁を提供することである。側壁１８ａによって画成される開口内のワイヤ接合パッド１６ｄは、シリコーンゲルで覆う必要があり、着地パッド１６ｅは、ゲルなしでなければならない。

感知素子１２、下部支持リング１４、第１ＰＣＢ１６、およびゲル堰体１８を備える感知素子組立体は、プローブまたは管２０の開放端部２０ａに受け取られる。感知素子の隆起部１２ａは、管の端部２０ａ内に滑り込み、それに溶接されて気密シールを形成する。外部ねじ付き部分２０ｃが、管２０に、その両端部２０ａ、２０ｂの中間で形成されて、トランスデューサーを導管のねじ穴に組み付けるようにするが、図１６などに示すように、導管ではガスまたは他の流体の温度および圧力が監視される。段付円筒状隆起部２０ｄが、フランジ２２を受けるために管の端部２０ｂに形成されて、截頭円錐形の外側面２０ｅが、ねじ付き部分２０ｃと隆起部２０ｄの間に形成される。フランジ２２は、概ね円形の板であり、位置合せ平坦部２２ａが設けられ、組み立て中これを使用して、感知素子の平坦部１２ｄと位置合わせする。

内部コネクタ２４は、適切な高温材料の、細長い電気絶縁体を含み、そこに、細長い板ばねの形態の、４つの軸線方向歪吸収接触部材２６が挿入される。この接触部材は、歪を吸収する概ねＵ字形状のループ２６ａを、対向端部２６ｂ、２６ｃ間の選択された場所に有する。端部２６ｂは、概ねＵ字形状の接触構成へと後ろに湾曲されることが好ましく、これがゲル堰体の各開口１８ｃを通じて受容されて、各着地パッド１６ｅと付勢係合し、端部２６ｃは、尖った形状であって、以下で論じる第２の上方印刷回路基板（ＰＣＢ）２８のそれぞれの開口内に鑞づけおよび／または圧力嵌めされる。内部コネクタ２４には上部長直径ハブ部分２４ｃが設けられ、その頂部に第２ＰＣＢ２８が受承される。内部コネクタ２４は、支持リング１４との位置合わせを促進する位置合わせ機能２４ｄを有して、細長い接触部材２６が、第１ＰＣＢ１６のそれぞれの着地パッドと、第２ＰＣＢ２８の接触パッドとの電気係合を成すようになり、それらには、それぞれの接触部材が摩擦によって、または鑞づけによって接続される。第２ＰＣＢ２８は、ＡＳＩＣ（図示しない）と、感知信号を調整し増幅する関連する各種受動構成部品とを搭載し、また、相互接続導電路と、着地帯域２８ａを受ける、４つの離隔された螺旋ばね接触部材とを含む。

カバー３０を使用して、４つの螺旋ばね接触子３２を、接触着地パッド２８ａと位置合わせ可能なカバーの縦方向に延びる空所３０ａ内に装着し、環状シール座３０ｂが、その外周面に隣接するカバー３０の頂部に形成される。エラストマー製環境オーリング・シール３４が、シール座３０ｂに受け取られる。カバー３０をトランスデューサーに組み付ける前に、概ねコップ形のＥＭＣ遮蔽体３６が、カバーの下面に形成された室に受容される。ＥＭＣ遮蔽体３６の概ね半径方向外方に延びるタブ３６ａが、カバー３０の側壁３０ｅに形成された開口３０ｄから、側壁３０ｅの外周面を越えて突出する。次いで、カバー３０が反転され、カバーの側壁部分がハブ部分２４ｃに錠止される。電気コイルばね接触子３２が、それぞれの空所３０ａ内に配置され、一端が、カバーの頂面を超えて突出して、外部コネクタ３８の鋳包みモールド成形された端子４０の折畳み端部と接する。折り返された部分４０ａは、電気コイルばね接触子に対して付勢された着地帯域として働く。外部コネクタ３８は、鋳包みモールド成形された金属ハウジング部分４２を含むが、これは、多角形（例、６角形）の外周面４２ａを有し、それには半径方向外方に延びる唇状部分４２ｂが設けられる。外部コネクタ・ハウジングが、組立体の上に配置され、ＥＭＣ遮蔽体タブ３６ａが付勢されて、金属製ハウジング４２およびコネクタ３８と電気的に係合して、エラストマー製オーリング３４に選択された負荷を加え、ハウジングは、唇状部分４２ｂでその下部周囲をフランジ２２に溶接されて、流体シールを形成し、エラストマー・シールに対する負荷を維持する。

カバーの構成、螺旋ばね接触部材、密閉、コネクタ、およびハウジングは、先に引用した米国特許第６７４２３９５号でより詳しく示す。

特に図１７を見ると、トランスデューサー１０が、ガス流路２ａが規定する導管２に取り付けられるところを示してある。導管２は、管２の
ねじ付き部分２０ｃをねじ受けするねじ穴２ｂを有する。ねじ穴２ｂの入口２ｃには、管２０の截頭円錐面２０ｅに相補的な截頭円錐面が設けられ、それによって、トランスデューサー１０が穴内にねじ込まれる時、気密シールが形成される。図１７から分かることとして、ガス流の圧力および温度の最適監視のために、感知素子１２が充分にガス流路２ａの範囲内に配設される。

本発明を、その特定の好適例について述べたが、変形例については当業者にとって自明であろう。例えば、板ばね以外の軸線方向歪吸収接触部材、コイルばねなどを使用することも本発明の範囲に入る。したがって、従来技術を考慮して、添付クレームが可能な限り広く解釈されるものとする意図は、そのような変形例の全てを含むものである。

本発明の好適例によって作られた圧力・温度共用トランスデューサーの立面図である。 図１の線２〜２による断面図である。 図１、２の構造物の分解斜視図である。 図３の感知素子組立体の分解斜視図である。 図１のトランスデューサーの、電子調整・増幅ＰＣＢの上面図と、内部コネクタの分解図である。 図５の線６〜６による拡大断面図である。 図５、６の組立コネクタおよびＰＣＢの縮小立面図である。 図７の線８〜８による拡大断面図である。 図４に示す組立感知素子組立体の立面図である。 図９の線１０〜１０による断面図である。 図９と同様あるが、組立体が９０度回転している図である。 図１１の線１２〜１２による断面図である。 図１０の構造物の上面図である。 図９〜１３の感知素子組立体の分解立面図である。 図１４の線１５〜１５による断面図である。 ガス流路を規定する導管に取り付けられた図１のトランスデューサーの、断面図でもある上面図である。 図１６の線１７〜１７による断面図である。

符号の説明

２ 導管
２ａ ガス流路
２ｂ 穴
２ｃ 入口
１０ 圧力・温度共用トランスデューサー
１２ 感知素子
１２ａ 隆起部
１２ｂ 平坦部
１２ｃ 軸線方向に延びる部分
１２ｄ 位置合せ平坦部
１２ｅ 唇状部分
１２ｆ 空所
１２ｇ 平坦なダイヤフラム
１２ｈ ダイヤフラム面
１２ｋ ピエゾ抵抗歪ゲージ
１４ 支持リング
１４ａ 側壁
１４ｂ 支持リングキャッチ
１４ｃ 熱杭
１４ｄ 外側平坦部
１６ 下方耐熱印刷回路基板（ＰＣＢ）
１６ｂ 開口
１６ｃ 中央開口
１６ｄ ワイヤ接合パッド
１６ｅ 着地パッド
１８ ゲル堰体
１８ａ 側壁
１８ｂ 底壁
１８ｃ 接触ピン受取開口
１８ｄ 錠止ピン
２０ 管
２０ａ 開放端部
２０ｂ 管の端部
２０ｃ ねじ切部分
２０ｄ 段付円筒状隆起部
２０ｅ 截頭円錐形の外側面
２２ フランジ
２２ａ 位置合せ平坦部
２４ 内部コネクタ
２４ｃ ハブ部分
２４ｄ 位置合せ機能
２６ 軸線方向歪吸収接触部材
２６ａ Ｕ字形状のループ
２６ｂ、２６ｃ 対向端部
２８ 第２ＰＣＢ
２８ａ 着地帯域
３０ カバー
３０ａ 空所
３０ｂ 環状密封着座
３０ｄ 開口
３０ｅ 側壁
３２ 電気コイルばね接触子
３４ オーリング・シール
３６ ＥＭＣ遮蔽体
３６ａ タブ
３８ 外部コネクタ
４０ 端子
４０ａ 曲げられた部分
４２ 挿入成形金属ハウジング部分
４２ａ 多角形の外周面
４２ｂ 唇状部分

Claims (10)

1. 特に高温の流体での使用に適合された、圧力・温度共用トランスデューサーであって、
   細長い金属製管状プローブ部材であって、第１開放端部と第２開放端部を有し、また、前記プローブ部材を、流体流路を画成する導管の側壁の孔に装着するための装着構造を有するプローブと、
   前記プローブ部材の前記第１端部で受承されるとともに前記プローブ部材の前記第１端部を閉じる感圧ダイヤフラムを規定し、ピエゾ抵抗歪ゲージが、前記プローブ部材内の圧力感知ダイヤフラムに接合されている金属製感知素子と、 前記金属製感知素子に隣接する前記プローブ部材に装着され、電気回路と、前記電気回路に接合されてホイートストーン・ブリッジを形成する歪ゲージ・ワイヤとを有する第１耐熱印刷回路基板（ＰＣＢ）と、
   前記プローブ部材に装着され、前記プローブ部材の第２端部を越えて上端まで延び出る内部コネクタと、
   前記内部コネクタの前記上端に装着され、電気回路を有し、信号を調整し増幅する電子部品を装架する第２印刷回路基板（ＰＣＢ）であって、前記内部コネクタが、複数の細長い軸線方向歪吸収接触部材を含み、各接触部材が、前記第１ＰＣＢの電気回路と電気的に係合する第１端部分と、前記第２ＰＣＢの電気回路と電気的に係合する第２端部分とを有する前記第２印刷回路基板（ＰＣＢ）と、
   前記プローブ部材が取り付けられ、前記第２ＰＣＢ用の囲いを形成し、かつ、前記圧力・温度共用トランスデューサーとの電気的インターフェースを提供する外部コネクタ・ハウジング組立体とを含む圧力・温度共用トランスデューサー。
2. 前記装着構造が、前記管の前記第１端部と第２端部の中間に配設されたねじ付き部分を含む請求項１に記載された圧力・温度共用トランスデューサー。
3. 前記管の外表面が、前記管の前記第２端部に隣接する截頭円錐形部分で形成されて、流体シール表面として働く請求項２に記載された記載された圧力・温度共用トランスデューサー。
4. 前記細長い軸線方向歪吸収接触部材が、それぞれ、温度変化による長さの変化を吸収するループを含むように構成されている請求項１に記載された圧力・温度共用トランスデューサー。
5. 溜り部を形成する側壁を有し、これが、前記歪ゲージと共にワイヤ接合部が取り付けられた前記第１ＰＣＢの前記電気回路の第１部分を取り囲み、前記軸線方向歪吸収接触部材が係合する前記第１ＰＣＢの前記電気回路の第２部分と、前記溜り部内に受容されたゲルとを分離するようになされたゲル堰体を更に含む請求項１に記載された圧力・温度共用トランスデューサー。
6. 特に高温流体での利用に適する圧力・温度共用トランスデューサーにおいて、
   細長い管状プローブ部材と、
   細長い内部コネクタと、
   第２印刷回路（ＰＣＢ）と、
   外部コネクタ・ハウジングとを含み、
   前記細長い管状プローブ部材が、第１開放端部と第２開放端部と、それらの間に配設された密閉構造体とを有し、前記管状プローブ部材の前記第１開放端部が壁の開口を通じてシーリング状態で監視場所内に挿入可能であり、
   さらに、前記細長い管状プローブ部材が、前記管状プローブ部材の前記第２開放端部に装着された半径方向外方に延びるフランジと、前記第１開放端部で受承されるとともに前記第１開放端部を閉じるとともに歪ゲージが装着された感圧ダイヤフラムを含む感知素子と、前記感知素子に隣接した前記管状プローブ部材に装着された第１耐熱印刷回路基板（ＰＣＢ）とを有し、該第１耐熱印刷回路基板（ＰＣＢ）は、ワイヤ接合パッドおよび接触パッドを有し、ワイヤが前記歪ゲージと前記ワイヤ接合パッドとに接合されて、それらの間に電気接続を形成し、
   前記細長い内部コネクタは、電気絶縁材料から形成されるとともに、前記管状プローブ部材に受容されており、また、前記管状プローブ部材の前記第２端部の外に延びる上端を有し、
   前記第２印刷回路（ＰＣＢ）は、前記内部コネクタに前記上端で装着されるとともに、電気回路および接触パッドを有し、また、電子信号調整・増幅部品を含み、
   前記内部コネクタは、第１と第２の両端を有する複数の細長い、軸線方向応力吸収接触部材を有し、各接触部材それぞれの第１端部が、前記第１ＰＣＢのそれぞれの接触パッドと電気係合し、接触部材それぞれの第２端部が、第２ＰＣＢの電気回路と電気係合しており、
   前記外部コネクタ・ハウジングは、前記フランジに取り付けて、前記トランスデューサーとの電気的インターフェースを提供し、前記第２ＰＣＢを収容し、それによって、前記管状プローブ部材の第１端部の、前記感知素子および前記第１ＰＣＢが、高温流体流内に、壁の開口を通じてシーリング状態で挿入可能であり、前記第２ＰＣＢが、前記監視場所の外側で、前記管状プローブ部材の前記第１端部から物理的に分離されるように構成されている圧力・温度共用トランスデューサー。
7. 前記管の第１端部と第２端部の中間に配設された外部ねじ付き部分を更に含む請求項６に記載された圧力・温度共用トランスデューサー。
8. 前記密閉構造体が、前記管の前記外表面に形成されて流体シール表面として働く截頭円錐部分を含む請求項７に記載された圧力・温度共用トランスデューサー。
9. 細長い、軸線方向歪吸収接触部材が、それぞれ、温度変化による長さの変化を吸収するループを含むように構成されている請求項６に記載された圧力・温度共用トランスデューサー。
10. 溜り部を形成する側壁を有し、これが歪ゲージと共にワイヤ接合が取り付けられた第１ＰＣＢの前記ワイヤ接合パッドを囲み、軸線方向歪吸収接触部材が係合する第１ＰＣＢの接触パッドと、前記溜り部内に受容されたゲルとを分離するゲル堰体を更に含む請求項６に記載された圧力・温度共用トランスデューサー。

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