JP2006521553A - 低いヒステリシスを提供するために、張力下の、比較的厚いフラッシュダイアフラムを有するキャパシタンス圧力計 - Google Patents

Abstract

圧力を測定するためのキャパシタンスダイアフラムゲージ（１００）は、シム（１２２）または他の隆起外周部分を介して本体構造体（１１０）に設置された、フラッシュダイアフラム（１２０）を備える。本発明に従う実施形態は、低いヒステリシス特徴を有するフラッシュダイアフラムを有する、キャパシタンスダイアフラムゲージ（ＣＤＧ）を提供する。このＣＤＧは、利用可能な様式で再現性よく製造され得る、単純な構造体を有する。

Description

（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は、圧力に曝露されるダイアフラムと固定された電極との間の可変キャパシタンスを有する、圧力変換器の分野にある。

（関連技術の説明）
キャパシタンスダイアフラムゲージ（ＣＤＦ）は、圧力を測定するために、多年にわたって使用されてきた。ＣＤＧは、非常に低い圧力（例えば、大気圧よりかなり低い圧力）（例えば、排気されたシステム（例えば、半導体製造システム）における圧力）を測定するために、特に有用である。ＣＤＧは、参照圧力に関して入力された圧力の測定を表す、電気出力を生成する。

基本的に、例示的なＣＤＧは、少なくとも１つの電極を備え、この電極は、適切な支持構造体上に支持される。この電極は、密封されかつ排気された空洞内で、可撓性ダイアフラムに近く近接して位置決めされる。このダイアフラムは、このダイアフラムの１つの面（圧力面）が、測定されるべき未知の圧力に曝露されるように、このデバイスにおいて位置決めされる。この圧力面に対する未知の圧力は、電極面上の参照圧力に対して測定される。この参照圧力は、密封されかつ排気された空洞内で、実質的に一定である。これらのダイアフラムおよび電極は、可変コンデンサの２枚のプレートを構成し、このコンデンサは、圧力の変動によって引き起こされるこのダイアフラムのたわみに応答して変動するキャパシタンスを有する。

多くの適用において，ＣＤＧは、圧力測定デバイスの適切なハウジング内に、ダイアフラムの圧力面が適切な通路を介して未知の圧力に曝露されるように位置決めされる。あるいは、このダイアフラムの圧力面は、未知の圧力に直接曝露され得る。例えば、ＣＤＧは、このダイアフラムが気体流れ導管内にあるように設置され得、この場合、このダイアフラムおよびＣＤＧの他の部分が、気体の流れの中に延びてこの気体の流れを部分的に遮断することも、この気体の流れに乱流を引き起こすこともないことが好ましい。ＣＤＧのいずれの部分もダイアフラムの圧力面を超えて伸びない場合、この圧力面は、気体流れ導管の内壁と実質的に同一面に設置され得る。このような構成を有するＣＤＧは、フラッシュダイアフラム設計と称される。当業者は、フラッシュダイアフラムＣＤＧが、ハウジングに溶接されて、より一般的なデバイスを作製し得ることを理解する。他方で、フラッシュダイアフラムを有さないＣＤＧは、一般に、フラッシュダイアフラムを必要とする適用において使用されるために好都合ではない。なぜなら、このダイアフラムのための外側支持構造体が、このダイアフラムの圧力面を越えて延びるからである。

フラッシュダイアフラムを有するＣＤＧは、当該分野において公知である。例えば、フラッシュダイアフラムＣＤＧの第一の型は、適切な材料の固体ブロックから機械加工されて、このブロックの一端から材料の薄膜を除去され、ダイアフラムを形成する。この材料は、特定の所望の結果のために、またはこの材料の特性に起因して、熱処理され得る。

別の公知の型のフラッシュダイアフラムＣＤＧは、波形ダイアフラムＣＤＧと称される。この波形ダイアフラムは、表面に形成された波を有し、付与される圧力に応答してより線形のたわみを生じる目的で、過剰の材料を存在させる。この型のダイアフラムは、通常、適所に溶接される。

第三の型のフラッシュダイアフラムＣＤＧは、薄い材料から形成されるダイアフラムを有する。この薄い材料は、ある様式で高い張力をかけられ、そして適所に溶接される。

かなりの誇張が、仕上げられた圧力測定デバイスのヒステリシス特徴に対してなされる。ヒステリシスとは、所定の圧力に近付く際の変換器の出力の、異なる方向からの差をいう（すなわち、未知の圧力が上昇する際の低圧側からの所定の圧力への接近に対する、未知の圧力が低下する際の高圧側からの所定の圧力への接近）。先の圧力にかかわらず、所定の圧力について、同じ出力値が発生するはずであるが、ヒステリシス効果は、所定の圧力が高圧側から接近される場合に、出力値を高くしすぎ得、そして所定の圧力が低圧側から接近される場合に、出力値を低くしすぎ得る。

ヒステリシス誤差の最大値は、通常、圧力行程の中点にある。０の圧力からフルスケールの圧力までの行程は、最大の正常な行程である。異常な行程は、より大きい誤差を生じ得る。ヒステリシス誤差は、少なくとも部分的に、圧力行程の大きさに依存するので、ヒステリシス誤差は、通常、予測不可能であり、従って、大きな問題である。対照的に、他の誤差（例えば、直線性または温度の誤差）は、より補正しやすい。なぜなら、これらの誤差は、再現性があり、従って、予測可能であるからである。

圧力に曝露されるダイアフラムは、圧力負荷を保有しなければならない。ダイアフラムの反対側の面に付与される圧力の間の差は、このダイアフラムのたわみを引き起こす。このダイアフラムの電極面は、可変コンデンサの１つのプレートとして働き、電極が、このコンデンサのもう一方のプレートとして働く。さらなる電極が備えられる場合、複数のコンデンサが形成され、ダイアフラムの電極面が、各コンデンサの１つのプレートを形成する。ダイアフラムのたわみは、このダイアフラムをこの電極の近くにかまたは遠くに移動させ、これによって、キャパシタンスが変動する。このキャパシタンスは、このダイアフラムの圧力面に付与される圧力に応答する、測定可能な量を提供するために適切な従来の様式で、決定される。

未知の圧力の再現性のある測定を生じる目的で、このダイアフラムのたわみは、最小のヒステリシスで起こるべきである。すなわち、圧力が先の大きさから戻る場合に、このダイアフラムは、その圧力が最初に上昇され、次いで低下されるか、最初に低下され、次いで上昇されるかにかかわらず、その先のたわみの状態にもとるべきである。

ヒステリシスの減少は、張力の負荷を保有することによって達成されてきた。圧力変化に応答する張力の大きさのより小さい変化が、より小さいヒステリシスを生じ、従って、より大きい測定精度を生じることが見出された。高圧測定デバイスに関する１つの問題は、負荷を保有する予備張力を有することによって、このたわみを十分に小さく維持することである。

多くの技術が、ダイアフラム（特に、低圧ＣＤＧにおけるダイアフラムに対して）に予備張力を与えるために使用されている；しかし、高圧ダイアフラムに対して使用される技術は、非常に制限されることが示されており、そしてこのデバイスがより小さくなるにつれて、これらの技術は、さらにより制限されてきている。ダイアフラムに予備張力を与えるために使用されている１つの技術は、このダイアフラムをＣＤＧの本体に溶接する前に、このダイアフラムを加熱して、このダイアフラムが冷却される場合に、このダイアフラムが収縮し、そして張力を発生させるようにすることである。この技術を用いてダイアフラムに予備張力を与える先の試みは、このダイアフラムを、加熱されたプラテンと接触させて配置することからなった。この技術は、この備品全体を熱くし、これによって、連続的なユニットが加工される際の結果に、かなりの不確実さを生じる。このような技術はまた、ダイアフラムとプラテンとの間の良好な熱接触の維持において問題を提示し、この問題がまた、ダイアフラムに対して生じる張力を再現性なくする。

代表的なＣＤＧにおける支持構造体は、この構造体の一部分をダイアフラムに接近させて、シムの機能を提供するように、１片として形成される。このシムは、その休止位置またはゼロ位置にある電極から、ダイアフラムを離して間隔を空ける。このシムをＣＤＧの本体の一部分として形成することは、非常に高価であり、そしてダイアフラムと電極との間に間隔を得るために、再現性のない様式である。例えば、このシムの薄いリップは、再現性のある初期ゼロキャパシタンスを生じるために必要な許容を提供するために、非常に注意深く機械加工される必要がある。このシムは、ダイアフラムがたわむ場合に、大きい圧力下にある。従って、このシムは、非常に硬い必要がある。１片の設計に関して必要とされる硬度を得る目的で、この部品は、機械加工された後に、熱処理される。この熱処理は、この部分を反らせ、そして正確な測定のために必要とされる間隔の精度を失わせる。

（発明の要旨）
本発明に従う実施形態は、低いヒステリシス特徴を有するフラッシュダイアフラムを有する、キャパシタンスダイアフラムゲージ（ＣＤＧ）を提供する。このＣＤＧは、利用可能な様式で再現性よく製造され得る、単純な構造体を有する。

本発明に従う実施形態の１つの局面は、ＣＤＧの本体に設置されたフラッシュダイアフラムを有する、キャパシタンスダイアフラムゲージ（ＣＤＧ）であり、この設置は、ダイアフラムの材料の最終的な強度の大きさのおよそ半分の大きさを有するダイアフラムに対して非常に高い予備張力を生じる技術による。このような予備張力は、許容可能な応力に対してダイアフラムの屈曲応力を最小にする、最適な作用点であることが示され得る。このダイアフラムに対する屈曲応力は、ヒステリシスの主な原因であるので、このヒステリシスが、この技術によって、最小にされる。

具体的には、本明細書中に記載される実施形態において、このダイアフラムをＣＤＧ本体に溶接する前に、熱が、このダイアフラムに付与される。この溶接が完了した後に、このダイアフラムは、冷却の間にこのダイアフラムが収縮するので、予備張力を与えられる。

好ましい実施形態において、このダイアフラムは、高強度の放射線で照射される。例えば、この放射線は、レーザーまたは他の適切な源によって生じられ得る。１つの具体的な実施形態において、この放射線は、このダイアフラムの面を照射するために適切に位置決めされた、ハロゲンランプによって発生される。この放射線源は、溶接プロセスの数秒前にオンにされ、そして溶接プロセスの間はオンのままである。この放射線は、このダイアフラムの、その周囲に対する放射率を上昇させることによって、このダイアフラムを選択的に加熱し、この放射線の吸収を増加されるように、発生される。このダイアフラムの温度を、ＣＤＧ本体の周囲の材料に対して上昇させることによって、このダイアフラムは、溶接プロセスの前に、この周囲の材料に対して膨張する。このダイアフラムは、これが膨張している間に溶接されて、溶接が完了した後に、このダイアフラムが冷却される場合に予備張力を与えられる。

レーザー、ハロゲンランプまたは他の放射線源からの放射強度は、再現性のある温度を生じさせて、予備張力が、最終的な応力のおよそ半分の再現性のある応力を生じるように、十分に制御され得る。

通常の金属は、非常に低い放射率を有し、従って、非常に低い吸収を有する。入射放射線の実質的に全てが反射され、そして少量の保持された放射線が、その温度を不十分な量で上昇させる。さらに、この温度上昇は、再現性のある結果を生じないようである。特に好ましい実施形態によれば、このダイアフラムの表面の放射率は、炭素または別の適切な基材でその表面をコーティングすることによって、上昇される。好ましくは、このダイアフラムの表面は、溶接プロセスが完了した後に、このダイアフラムが容易に清浄化されることを可能にする様式で、コーティングされる。例えば、カーボンブラック（例えば、すす）は、放射率を増加させるために適切であること、および処理が完了した後に容易に除去され得ることが見出されている。１つの特定の実施形態において、カーボンブラックは、このダイアフラムの圧力表面を、ブタンの酸化火炎（例えば、ライターなどから）に曝露することによって、適用される。この酸化火炎は、炭素の薄膜を、圧力表面に堆積させる。この薄い炭素の層は、放射線を吸収して、このダイアフラムを迅速に加熱し、一方で、他の構成要素は、比較的冷たいままである。この炭素の層は、腐食性の清浄化の必要なしに、容易に洗浄除去される。

本明細書中に記載される技術は、別個の、薄い、機械加工されていないダイアフラムを有するＣＤＧを製造するために使用される。これらのダイアフラムは、最適な特性のために容易に熱処理され、このことは、このダイアフラムおよび支持体を１つの片から機械加工し、次いで、機械加工後に、このダイアフラムを収縮させずにこのダイアフラムを熱処理しようと試みる、非常に高価なプロセスと対照的である。本明細書中に記載されるプロセスは、ダイアフラムが、費用効果的な最適の様式で支持体に取り付けられることを可能にし、そしてダイアフラムのたわみ特徴に関して、顕著な性能を提供する。具体的には、このダイアフラムは、低いヒステリシスを有する。

シムが本体構造体の一部分として形成された、１片の本体構造体を有する以前のデバイスとは異なり、本発明に従う実施形態は、別個のシムを備え、このシムは、別個に熱処理され得る。ダイアフラムと同様に、このシムは、機械加工される必要がない。従って、このシムは、いずれの様式でも、収縮もその厚さの変化も起こさない。従って、最適な性能が、再現性のある特徴を有する、容易に製造される低い費用の部品を用いて得られ得る。その結果、本明細書中に記載される実施形態に従う支持構造体（例えば、ＣＤＧの本体）は、単純な大量生産可能な部品である。

このダイアフラムが加熱されている間に溶接する目的で、これらのダイアフラムおよびシムは、加熱されているダイアフラムおよびシムがＣＤＧ本体に溶接されている間に、液圧式アーバプレスの上部圧力ノーズと下部支持表面との間に固定される。非同一面のダイアフラムの構成において、外側支持リングがまた、同じプロセスの間に溶接され、そしてＣＤＧの一部分として残る。本明細書中に記載される実施形態に従う、フラッシュダイアフラムを得る目的で、このダイアフラムは、溶接プロセスの間、再使用可能な支持ジグ上に載る。この支持ジグは、アーバプレスの下部支持表面上で位置決めされ、そして上部圧力ノーズは、ＣＤＧ本体の後表面に押し付けられる。このアーバプレスからの圧力は、溶接プロセスの間、このダイアフラムをＣＤＧ本体に固定する。この支持ジグは、高温（例えば、屈折性）材料を含み、この材料は、溶接プロセスの間融解せず、従って、このダイアフラムに取り付けられない。例示的な屈折性材料（例えば、タンタルおよび炭化ケイ素）が、支持ジグのために好ましい。

本発明に従う代替の実施形態は、２片の電極を備え、この電極は、過去における公知の１片電極設計とは対照的に、種々の温度の下で、安定なキャパシタンスを提供する。温度に応答する電極の膨張が、静止キャパシタンスを上昇させる。この静止キャパシタンスの上昇は、ダイアフラムと電極との間の間隔を増加させることによって、相殺され得る。この増加された間隔は、単一の電極の正味の膨張を、シムを通過する支持体より小さくすることによって、提供され得る。このことは、好ましい実施形態において、２片の電極を使用して達成される。高圧測定のために適切な２片の電極は、タンタルまたはチタンの合金を含有する外側部分を備える。このタンタルまたはチタンの合金材料は、高圧ＣＤＧに対して独特の過剰の圧力の大きい力に耐える、高い強度の結合特徴を有する。２片の電極の内側部分は、溶接によって（またはこれらの片をこれらが溶接されたかのように接合する、別の適切な様式によって）外側部分に接合される。例えば、３００系のステンレス抗は、内側部分として使用するために適切であることが見出されている。本明細書中に記載される実施形態において、この内側部分は、有利には、ニッケルを含有する。あるいは、適切な性能は、チタンまたはタンタルの合金を含有する、単一片の電極によって、達成され得る。

本発明に従うさらなる実施形態は、ダイアフラムの周囲の近くに位置する、第二の電極を備え、第二のキャパシタンス測定信号を生じることによって、電極とダイアフラムとの間の間隔の膨張を、補償する。この信号は、この膨張の影響を相殺するように、処理され得る。

本発明の実施形態の上記および他の特徴は、添付の図と組み合わせて、以下に記載される。

（好ましい実施形態の詳細な説明）
図１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂ、３および４は、キャパシタンスダイアフラムゲージ（ＣＤＧ）１００の実施形態を図示する。図１Ａに示されるように、ＣＤＧ １００は、本体構造体１１０を備え、この本体構造体は、前表面１１２（図４を参照のこと）および後表面１１４（図４を参照のこと）を有する。本明細書中に図示される実施形態において、本体構造体１１０は、ほぼ円筒形であり、そして前表面１１２および後表面１１４は、円形の形状を有する。好ましい実施形態において、前表面１１２の面積は、後表面１１４の面積より小さく、そして本体構造体１１０の、前表面１１２に近い前方円筒形部分１１６は、後表面１１４に近い後方円筒形部分１１８より小さい直径絵を有し、従って、本体構造体１１０は、前部分１１６から後部分１１８への段状の移行部を有し、これが、前部分１１６の周りにリップ１１９を形成する。リップ１１９は、ＣＤＧ １００が特定の適用で設置される場合に、使用され得る。

フラッシュダイアフラム１２０は、本体構造体１１０の本体の前表面１１２の近くに設置され、そして円形シム（図２Ａ、２Ｂおよび４により明瞭に示されている）によって、前表面１１２から間隔を空けている。ダイアフラム１２０は、約１インチ（２．５４ｃｍ）の直径を有し、そして０．００１インチ（０．０２５ｍｍ）〜０．０１５インチ（０．３８ｍｍ）の範囲であり得る厚さを有する。好ましくは、ダイアフラム１２０は、Ｉｎｃｏｎｅｌ ７５０または別の適切な材料を含む。

円形のシム１２２は、薄いリングとして形成されたＩｎｃｏｎｅｌ ７５０を備える。このリングは、約１インチ（２．５４ｃｍ）の外径および約０．９８インチ（２．４９ｃｍ）の内径を有する。好ましい実施形態において、シム１２２は、約０．００３インチ（０．０８ｍｍ）の暑さを有する。従って、ダイアフラム１２０は、約０．００３インチだけ、前表面１１２から間隔を空ける。好ましい実施形態において、シム１２２は、図に図示されるように、別個のユニットである。シム１２２は、本体構造体１１２の平坦な前表面１１２と境界を接する、隆起外周部分を形成する。代替の実施形態において、シム１２２は、前表面１１２の実質的に平坦な中心部分の周りに隆起外周部分を形成するための、機械加工または他の適切な技術によって、本体構造体１１０から離して形成され得る。この隆起外周部分は、前表面１１２の中心部分に対して垂直に測定された有効厚さを有し、この熱さは、上で議論されたように、シム１２２の厚さに対応する。

図２Ａおよび４により明瞭に示されるように、円筒形ボア１２４は、本体構造体１１０を通って、前表面１１２から後表面１１４まで延び、そして両方の表面に対してほぼ中心を合わせられる。電極アセンブリ１３０は、円筒形ボア１２４を通って延びる。電極アセンブリ１３０は、同心状の電極シールド１３４によって囲まれた、円筒形の電極１３２を備える。電極アセンブリ１３２は、図２Ａおよび４に示されるように、電極１３２の前表面１３６および電極シールド１３４の前表面１３８が、本体構造体１１０の前表面１１２と実質的に同一面になるように、円筒形ボア１２４を通して位置決めされる。

図２Ａに示されるように、電極１３２は、電極１３２と電極シールド１３４との間に位置決めされた、第一の同心状絶縁体１４０によって、電極シールド１３４から絶縁される。同様に、電極シールド１３４は、電極シールド１３４と円筒形ボア１２４の壁との間に位置決めされた、第二の同心状絶縁体１４２によって、ボア１２４の壁から絶縁され、従って、本体構造体１１０から絶縁される。

図３に図示されるように、第一の同心状絶縁体１４０は、有利には、第一の複数のリング形状のガラスプレフォーム１４０ａ、１４０ｂを、電極１３２の一部分の周りに配置し、電極シールド１３４を、第一の複数のガラスプレフォーム１４０ａ、１４０ｂを覆って位置決めすることによって、形成される。第二の同心状絶縁体１４２は、有利には、第二の複数のガラスプレフォーム１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ、１４２ｄを、電極シールド１３４の周りに配置し、次いで、電極シールド１３４を、円筒形ボア１２４の内部に位置決めすることによって、形成される。ガラスプレフォーム１４０ａ、１４０ｂは、電極シールド１３４内で電極１３２とほぼ中心を合わせるような大きさにされ、そしてガラスプレフォーム１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ、１４２ｄは、円筒形のボア１４２内で、電極シールド１３４とほぼ中心を合わせるような大きさにされる。

これらの構成要素は、整列設備（図示せず）に記載されるように位置決めされる。電極１３２の前表面１３６は、有利には、小さい開口部１４４を備え、この開口部は、この整列設備におけるピン（図示せず）と係合可能である。同様に、整列設備における穴（図示せず）は、電極１３２の後表面１４８から延びる接触ピン１４６と係合可能である。開口部１４４およびピン１４６は、電極１３２を、ガラスプレフォーム１４０ａ、１４０ｂ、１４２ａ、１３２ｂ、１４２ｃ、１４２ｄが電極１３２および電極シールド１３４の周りを流れるために十分に加熱され、引き続いて冷却されるまで、電極シールド１３４内で、実質的に同心状位置に維持する。特定の好ましい実施形態において、ガラスプレフォーム１４０ａ、１４０ｂ、１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ、１４２ｄは、有利には、ホウケイ酸ガラスを含有し、このガラスは、約７００℃で十分に軟化して、これらの構成要素の周りで流れ、そして永続的な絶縁結合を形成する。

本体構造体１１０が冷却された後に、本体構造体１１０の前表面１１２は、ラッピング（ｌａｐｐｉｎｇ）または他の適切な方法によって平滑にされ、その結果、電極１３２の前表面１３６は、前表面１１２と同一面にくる。

好ましい実施形態において、電極１３２は、前部分１３２ａおよび後部分１３２ｂを備える。後部分１３２ｂは、有利には、チタンを含有し、これは、温度に応答する低い膨張係数を有する。従って、温度が上昇してガラスプレフォームを流動させ、そして引き続いて低下されて永続的結合を形成する際に、後部分１３２ｂの直径は、後部分１３２ｂの周りに形成されるガラス結合が、このガラスが硬化する際にインタクトなままであるように十分に、一定のままである。

好ましい実施形態において、ダイアフラム１２０、シム１２２および本体構造体１１０は、Ｉｎｃｏｎｅｌ ７５０または他の適切な材料を含有する。電極１４２の前部分１３２ａは、有利には、ニッケルを含有する。前部分１３２ａは、本体構造体１１０、ダイアフラム１２０およびシム１２２と類似の、温度に応答する膨張係数を有する。従って、前部分１３２ａは、他の構成要素に実質的に比例して膨張および収縮し、これによって、ダイアフラム１２０に対して比較的一定した間隔を維持する。電極シールド１３４もまた、有利には、類似の膨張係数を有するように、ニッケルを含有する。

図５は、ダイアフラム１２０およびシム１２２を本体部材１１０に設置するためのシステムを図示する。電極１３２および電極シールド１３４が、上に記載されたように、互いにおよび本体構造体１１０に結合された後に、シム１２２およびダイアフラム１２０は、ダイアフラム１２０に予備張力を与える様式で、本体構造体の前表面１１２に溶接される。具体的には、シム１２２は、シム１２２の外周が、前表面１１２の外周と実質的に一致するように、前表面１１２上で位置決めされる。次いで、円形ダイアフラム１２０が、シム１２２上で位置決めされる。次いで、再使用可能なリング形状のツーリングジグ（支持ジグ）１７０が、ダイアフラム１２０の上に位置決めされる。

本体構造体１１０、シム１２２、ダイアフラム１２０およびツーリングジグ１７０は、液圧アーバプレス１７２（これの一部分が、部分断面図として図５に示されている）内で位置決めされる。ツーリングジグ１７０は、ダイアフラム１２０、シム１２２および本体構造体１１０がツーリングジグ１７０の上に載った状態で、アーバプレス１７０の円筒形下部支持表面１７４上に載る。アーバプレス１７２の円筒形上部圧力ノーズ１７６が、本体構造体１１０の後表面１１４上で位置決めされる。変化する力が、アーバ１７２の圧力ノーズ１７６に、液圧シリンダ（図示せず）または他の従来の設備によって適用され、これによって、ダイアフラム１２０およびシム１２２を、前表面１１２の周囲とツーリングジグ１７０との間で絞る。

図５にさらに示されるように、放射エネルギーの供給源１８０が、ダイアフラム１２０の下方に位置決めされる。例えば、ハロゲンランプ１８０は、有利には、図示される実施形態において、放射エネルギーを提供する。この放射エネルギーは、ダイアフラム１２０の方へと方向付けられて、このダイアフラムを加熱し、そしてこのダイアフラムを膨張させる。

ダイアフラム１２０は、Ｉｎｃｏｎｅｌ（これは、一般に、高反射性である）を含有するので、ダイアフラム１２０にランプ１８０から入射する放射エネルギーのかなりの部分が、通常、反射される。この放射エネルギーの吸収を増強する目的で、このダイアフラムは、高放射率の材料でコーティングされる。なぜなら、高反射率材料はまた、放射エネルギーを容易に吸収するからである。他方で、多くの高放射率コーティングは、表面から除去することが困難である。ダイアフラム１２０の露出表面上に残るいずれの汚染物質も、このダイアフラムの性能に影響を与えるようである。好ましい実施形態において、ダイアフラム１２０の露出表面は、ランプブラック（例えば、煤）１８２でコーティングされる。例えば、１つの実施形態において、ランプブラック１８２は、ブタン火炎（図示せず）を曝露表面の近くに位置決めすることによって、ダイアフラム１２０上に形成される。シム１２２およびダイアフラム１２０を本体構造体１１０に永続的に固定した後に、以下に記載されるように、ランプブラック１８２は、水または穏やかな清浄化溶液を使用して、ダイアフラム１２０を損傷し得る研磨剤または力を使用せずに、このダイアフラムから容易に除去される。

最初に、本体構造体１１０、シム１２２およびダイアフラム１２０の相対位置を維持するために充分な力が、本体構造体１１０の後表面１１４に付与され、同時に、ダイアフラム１２０が、ランプブラック１８２によって吸収される放射エネルギーによって加熱され、これによって、ダイアフラム１２０が膨張される。次いで、全圧力が、この組み立てられた構成要素に付与されて、ダイアフラム１２０を膨張構成にひずませる。

溶接ヘッド１９０が作動されて、ダイアフラム１２０およびシム１２２を、本体構造体１１０の前表面１１２に融合させる。溶接ヘッド１９０は、従来の様式（例えば、電気アーク溶接、レーザー溶接、電子ビーム溶接、または他の適切な結合プロセス）において、ダイアフラムの外周の周りで回転し、ダイアフラム１２０の外周全体の周りに、連続的な溶接部を形成する。ダイアフラム１２０およびシム１２２は、本体構造体１１０に固定され、これによって、ダイアフラムの内側表面と、本体構造体の前表面１１２との間に、密封された空洞を形成する。

ツーリングジグ１７０は、本体構造体１１０、シム１２２およびダイアフラムのために使用されるＩｎｃｏｎｅｌ ７５０材料よりはるかに高い融点を有する、反射性金属または他の適切な材料（例えば、タンタルまたは炭化ケイ素）を含有する。従って、ツーリングジグ１７０は、溶接プロセスによって影響を受けず、そして他の構成要素と融合しない。溶接された構成要素は、ツーリングジグ１７０から容易に除去され、そして同じツーリングジグ１７０が、複数回使用され得る。

ランプ１８０がオフにされると、ダイアフラム１２０は、次第に冷却され、そして収縮する。しかし、ダイアフラム１２０の外周は、本体構造体１１０（これは、放射エネルギーによっていかなる有意な程度にも加熱されなかった）にしっかりと固定されているので、ダイアフラム１２０の表面は、効果的に伸長し、そしてこれが冷却されるにつれて、予備張力を与えられる。

上記組み立て方法によって導入された予備張力に起因して、ダイアフラム１２０は、非常に小さいヒステリシスを有する。圧力感知適用において使用される場合、圧力の変化によってたわんだ後に、ダイアフラム１２０の予備張力は、このダイアフラムをその最初のたわんでいない位置に戻す。

図１Ｂおよび３にさらに図示されるように、より小さい貫通ボア１５０が、前表面１１２から後表面１１４まで延びるＣＤＧ １００の組み立ての間、排気管１５２が、ボア１５０内に設置される。ＣＤＧ １００が完全に組み立てられた後に、非常に低い圧力が排気管１５２に適用されて、前表面１１２とダイアフラム１２０との間に形成された空洞内のあらゆる残留気体を除去する。次いで、排気管１５２は、ピンチされて、冷たい溶接部を形成し、そして排気管１５２の過剰の部分が除去されて、図１Ｂに示されるような切り残しを形成する。

後表面１１４は、ねじ切りされたボア１６０をさらに備え、このボアは、本体構造体１１０内へと選択された深さで延びるが、前表面１１２を超えない。ＣＤＧ １００が圧力感知適用に取り付けられる場合、電気的接続（図示せず）が、ねじ切りされたボア１６０とねじ（図示せず）とを係合させることによって、本体構造体１１０に取り付け可能であり、これによって、本体構造体１１０およびシム１１４を解するダイアフラム１２０への電気回路が完成する。従って、第一の電気的接続は、ダイアフラム１２０および電極１３２の前表面１３６によって形成される、可変のコンデンサのうちの１つのプレートとして作製される。第二の電気的接続は、ピン１４６を同軸コネクタ（図示せず）の中心接触部と係合させることによって、電極１３２に対してなされる。この同軸状のコネクタのシールド接触は、電極シールド１３４と係合する。

図２Ａの断面は、貫通ボア１５０、排気管１５２およびねじ切りされたボア１６０が示されないように選択されていることに注目のこと。

いくつかの実施形態において、さらなる貫通ボア（図示せず）が備えられ、従来のゲッター缶（図示せず）の取り付けを可能にし得、排気プロセスの後に残っているあらゆる残留気体を、化学的に除去し得る。

ＣＤＧ １００の構造およびダイアフラム１２０に予備張力を与える方法は、ＣＤＧが、より広範な圧力感知能力で製造されることを可能にする。例えば、約１インチ（２．５４ｃｍ）の直径を有し、そして約０．０１インチ（０．０２５ｍｍ）の厚さを有するダイアフラム１２０は、０．０００１トル〜０トルにわたる範囲から、０．００１トル〜１０トルに及ぶ範囲までの圧力を測定するように、製造され得る。より小さい厚さおよび約２インチ（５．０８ｃｍ）を有するダイアフラム１２０は、０．００００１トル〜０．１トルまでにわたる範囲から、０．００１トル〜１０トルにわたる範囲までの圧力を測定するために、使用され得る。

ＣＤＧ １００の構造およびダイアフラム１２０に予備圧力を与える方法は、より高い範囲の圧力を、直径に対して比例して厚い、より多くのダイアフラムを使用して測定するための、ＣＤＧを測定するために、特に有利である。

現在まで、非常に低いヒステリシスを有し、そしてより高い圧力範囲を測定するために充分な厚さを有する、予備張力を与えられたフラッシュダイアフラムを有するＣＤＧは、合理的な費用で得られなかった。本明細書中に記載される実施形態の構造および方法は、低費用の、非常に正確なフラッシュダイアフラムを製造し、これは、種々の適用において使用するために製造され得る。例えば、約０．７５インチ（１．９ｃｍ）の直径および０．００１インチ（０．０２５ｍｍ）の厚さを有するダイアフラム１２０は、０．０１トルから１００トルにわたる範囲の圧力を測定するように得製造され得る。約０．７５インチ（１．９ｃｍ）の直径および０．００３インチ（０．０７６ｍｍ）の厚さを有するダイアフラム１２０は、０．１トルから１，０００トルにわたる範囲の圧力を測定するように得製造され得る。約０．７５インチ（１．９ｃｍ）の直径および０．０１インチ（０．２５４ｍｍ）の厚さを有するダイアフラム１２０は、１トルから１０，０００トルにわたる範囲の圧力を測定するように得製造され得る。

図６は、本発明に従うＣＤＧ ２００の代替の実施形態の断面を図示し、ここで、温度の変化に応答する、ダイアフラムと電極の中心との間の間隔の変化を補償するために、２つの電極が提供されている。図６の実施形態は、より大きい直径のダイアフラム（例えば、２インチのオーダーの直径）を有するＣＤＧの性能を改善するために、特に有利である。ＣＤＧ ２００の構造は、上記ＣＤＧ １００の構造と類似であり、そして以下で具体的に議論されない類似の要素は、図１においては番号を付けられていない。

ＣＤＧ ２００は、Ｉｎｃｏｎｅｌ ７５０を含む本体構造体２１０を備える。本体構造体２１０は、ＣＤＧ １００の本体構造体１１０について上で図示されたように、ほぼ円形である。本体構造体２１０は、約２インチ（５．０８ｃｍ）の直径を有する。本体構造体２１０は、前表面２１２および後表面２１４を有する。

ダイアフラム２２０は、前表面２１２の近くに位置決めされ、そして円形シム２２２によって、前表面２１２から間隔を空ける。ダイアフラム２２０およびシム２２２は、上で議論されたように構成される；しかし、これらの直径は、本体構造体２１０の直径に対応して、より大きい（例えば、２インチ（５．０８ｃｍ））。

第一のボア２２４ａが、本体構造体２１０を通って、第一の表面２１２から後表面２１４の中心へと延びる。第二のボア２２４ｂが、本体構造体２１０を通って、第一のボア２２４ａと平行に延びる。第二のボア２２４ｂは、前表面２１２の外周の近くに位置する。

第一の電極アセンブリ２３０ａが、第一のボア２２４ａ内に位置決めされ、そして第二の電極アセンブリ２３０ｂが、第二のボア２２４ｂ内に位置決めされる。電極アセンブリ２３０ａ、２３０ｂの各々は、有利には、電極アセンブリ１３０に関して上に記載された様式で構成される。具体的には、第一の電極アセンブリ２３０ａは、第一の電極前表面２３６ａを有する第一の電極２３２ａを備え、第二の電極アセンブリ２３０ｂは、第二の電極前表面２３６ｂを有する第二の電極２３２ｂを備える。

本体構造体２１０は、有利には、排気管を収容するための貫通ボア、および電気的接続を受容するためのねじ切りされたボアを備える。これらの要素は、図６には示されていない；しかし、これらの要素は、図３に示される類似の要素に対応する。

ＣＤＧ ２００は、ＣＤＧ １００に関して上に記載されたように組み立てられ、その結果、ダイアフラム２２０が、本体構造体２１０の前表面２１２にわたって予備張力を与えられ、そしてダイアフラム２２０の内側表面と前表面２１２との間の空洞が排気され、そして密封される。

ＣＤＧ ２００に第二の電極アセンブリ２３０ｂを備えることは、より大きい直径のダイアフラムが使用される場合に、特に有利である。ＣＤＧ ２００の回りの温度が上昇するにつれて、シム２２２が膨張して、ダイアフラム２２０を、第一の電極２３２ａの前表面２３６ａの近くの前表面２１２から離して移動させる傾向がある。従って、第一の電極２３２ａとダイアフラム２２０との間のキャパシタンスは、温度と共に変化する。温度によって引き起こされるキャパシタンスの変化は、圧力によって引き起こされるキャパシタンスの変化と容易には区別されないかもしれないので、測定されるキャパシタンスは、圧力を正確には示さないかもしれない。

第二の電極アセンブリ２３０ｂは、ダイアフラム２２０がシム２２２を介して前表面２１２に固定されている、ダイアフラム２２０の外周の近くに位置し、ダイアフラム２２０のこの部分と第二の電極２３２ｂの前表面２３６ｂとの間の間隔は、圧力の変化に応答して、非常にわずかに変化する。しかし、ダイアフラム２２０と第二の電極２３２ｂの前表面２３６ｂとの間の間隔は、温度変化に応答して、ダイアフラム２２０と、第一の電極２３２ａの前表面２３６ａとの間の間隔と実質的に同じだけ変化する。従って、温度の変化によって引き起こされるキャパシタンスの変化は、両方の電極について実質的に同じである。従って、ダイアフラム２２０と第一の電極との間でなされるキャパシタンス測定、およびダイアフラム２２０と第二の電極２３２ｂとの間でなされるキャパシタンス測定が、圧力が決定される場合の温度の影響を補償するために使用される。

本発明は、本明細書中に記載された本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で実施され得る。上に記載された実施形態は、全ての局面において、例示的であるとのみみなされ、そしていかなる様式でも限定するとはみなされないべきである。本発明の範囲は、上記説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の均等物の意味および範囲内である任意の全ての変化は、特許請求の範囲の範囲内であるとみなされる。

図１Ａは、本発明に従うキャパシタンスダイアフラムゲージ（ＣＤＧ）の実施形態の前方斜視図を図示し、フラッシュダイアフラムの圧力面を示す。 図１Ｂは、図１ＡのＣＤＧの後方斜視図を図示し、遮蔽された電極接続部（ＣＤＧの本体と、ピンチにより閉じられた排気管との電気接続を行うためのねじ切りされた穴）を示す。 図２Ａは、図１Ａにおける線２Ａ−２Ａに沿って見た、図１ＡのＣＤＧの断面を図示する。 図２Ｂは、図２Ａの線２Ｂ−２Ｂに沿って見た、ＣＤＧの拡大断面を図示し、ダイアフラムとＣＤＧ本体との間のシムを、より詳細に示す。 図３は、図１Ａおよび１ＢのＣＤＧの分解後方斜視図を図示し、電極、電極シールド、絶縁ガラスプレフォームおよび排気管を示す。 図４は、図１Ａおよび１ＢのＣＤＧの分解正面図を図示し、ダイアフラム、シムおよび電極の間の関係を示す。 図５は、液圧式アーバプレスの再使用可能な支持リング上に位置決めされた、ＣＤＧ本体、シムおよびダイアフラムの部分断面での図解的表現を図示し、この液圧式アーバプレスは、溶接プロセスの間、放射線源が放射線を適用してダイアフラムを加熱している間に、圧力を付与する。 図６は、本発明に従う代替の実施形態の断面図を図示し、ここで、温度に伴うダイアフラムと中心電極との間の間隔の変化を補償するために、２つの電極が提供されている。

Claims (12)

1. キャパシタンスダイアフラム圧力計であって、以下：
   前表面および後表面を有する、本体構造体；
   該本体構造体を通して位置決めされた少なくとも１つの電極であって、該電極は、該前表面と実質的に同一面である前面を有する、電極；
   該本体構造体の該前表面上に位置決めされたリング形状シムであって、該シムは、厚さを有する、シム；ならびに
   第一の表面および第二の表面を有するダイアフラムであって、該第一の表面は、該シム上に位置決めされ、そして該シムの厚さだけ、該本体構造体の該前表面から間隔を空けており、該ダイアフラムの該第一の表面は、張力下で該シムに固定されており、該ダイアフラムの該第二の表面は、完全に平滑であり、そして妨害されていない露出表面である、ダイアフラム、
   を備える、キャパシタンスダイアフラム圧力計。
2. 前記電極が、以下：
   第一の熱膨張特徴を有するように選択された材料を含有する、前部分であって、該第一の熱膨張特徴が、前記シムの熱膨張特徴と類似である、前部分；および
   第二の熱膨張特徴を有するように選択された材料を含有する、後部分であって、該第二の熱膨張特徴が、該第一の熱膨張特徴より低い、後部分、
   を備える、請求項１に記載のキャパシタンスダイアフラム圧力計。
3. キャパシタンスダイアフラム圧力計を構築する方法であって、以下：
   電極アセンブリを、本体構造体の前表面から後表面へと延びる穴に通して設置する工程；
   外径を有するリング形状のシムを、該本体構造体の前表面上に位置決めする工程であって、該シムが、厚さを有する、工程；
   ダイアフラムを、該シム上に位置決めする工程であって、該ダイアフラムは、第一の表面および第二の表面を有し、該第一の表面は、該シムと接触し、そして該シムの厚さだけ、該本体構造体の該前表面から間隔を空ける、工程；
   該ダイアフラムを加熱して、該ダイアフラムを膨張させる工程；
   該ダイアフラムを膨張させながら、該ダイアフラムの該第一の表面の外周を、該シムに溶接し、そして該シムを、該本体構造体の該前表面に溶接する工程であって、該ダイアフラムの該第一の表面の外周が、これによって、該シムの外径に対応する大きさに制限される、工程；ならびに
   該ダイアフラムを冷却して、該ダイアフラムを収縮させ、そして該シムによって、該ダイアフラムの該第一の表面の該外周に付与される制限により、予め張力をかける、工程、
   を包含する、方法。
4. 前記ダイアフラムが、除去可能なコーティングを該ダイアフラムの第二の表面に塗布すること、および該コーティングに放射線エネルギーを印加することによって、加熱される、請求項３に記載の方法。
5. 前記ダイアフラムが、前記シムと強制的に接触されており、そして該シムが、圧搾機からの圧力によって、前記本体構造体の前表面に強制的に接触されている、請求項３に記載の方法。
6. 前記ダイアフラムが、再使用可能なツーリングジグによって、前記圧搾機内において維持されており、該再使用可能なツーリングジグは、前記ダイアフラム、前記シムおよび前記本体構造体が溶接されている場合に、該ツーリングジグが該ダイアフラムに溶接されないように充分に、該ダイアフラム、該シムおよび該本体構造体の融点より十分に高い融点を有する、請求項５に記載の方法。
7. キャパシタンスダイアフラム圧力計であって、以下：
   前表面および後表面を有する本体構造体であって、該前表面は、実質的に平坦な中心部分を有し、そして隆起外周部分と境界を接し、該隆起外周部分は、該平坦な中心部分に対して垂直に厚さを有する、本体構造体；
   該本体構造体を通して位置決めされる、少なくとも１つの電極であって、該電極は、該前表面と実質的に同一面の前面を有する、電極；および
   第一の表面および第二の表面を有するダイアフラムであって、該第一の表面は、該隆起外周部分で位置決めされ、そして該隆起周囲部分の厚さだけ、該本体構造体の前表面から間隔を空けて位置決めされており、該ダイアフラムの第一の表面は、張力下で該隆起外周部分に固定されており、該ダイアフラムの第二の表面は、完全に平滑であり、そして妨害されていない露出表面である、ダイアフラム、
   を備える、キャパシタンスダイアフラム圧力計。
8. 前記隆起外周部分が、リング形状のシムを備え、そして前記ダイアフラムが該隆起外周部分に固定される場合、該隆起外周部分が、前記本体構造体の前表面に固定される、請求項７に記載のキャパシタンスダイアフラム圧力計。
9. キャパシタンスダイアフラム圧力計を構築する方法であって、以下：
   電極アセンブリを、本体構造体の前表面から後表面へと延びる穴に通して設置する工程であって、該本体構造体の前表面は、実質的に平坦な中心部分を有し、そして隆起外周部分と境界を接しており、該隆起外周部分は、該中心部分に対して垂直な厚さを有し、そして外径を有する、工程；
   ダイアフラムを、該隆起外周部分上で位置決めする工程であって、該ダイアフラムは、第一の表面および第二の表面を有し、該第一の表面は、該隆起外周部分と接触し、そして該隆起外周表面の厚さだけ、該本体構造体の前表面から間隔を空けている、工程；
   該ダイアフラムを加熱して、該ダイアフラムを膨張させる工程；
   該ダイアフラムを膨張させながら、該ダイアフラムの第一の表面の外周を、該隆起外周部分に溶接する工程であって、これによって、該ダイアフラムの第一の表面の外周が、該隆起外周部分の外径に対応する大きさまで制限される、工程；および
   該ダイアフラムを冷却して、該ダイアフラムを収縮させ、そして該隆起外周部分によって該ダイアフラムの第一の表面の外周に付与される制限により、予め張力をかける、工程、
   を包含する、方法。
10. 前記隆起外周部分が、リング形状のシムを備え、そして前記方法が、前記ダイアフラムを該隆起外周部分に溶接しながら、該隆起外周部分を、前記本体構造体の前表面に溶接する工程をさらに包含する、請求項９に記載の方法。
11. キャパシタンスダイアフラム圧力計であって、以下：
    前表面および後表面を有する本体構造体であって、該前表面は、実質的に平坦な中心部分を有し、そして隆起外周部分と境界を接し、該隆起外周部分は、該平坦な中心部分に対して垂直に厚さを有する、本体構造体；
    該本体構造体を通して位置決めされる第一の電極であって、該第一の電極は、前面が該前表面と実質的に同一面である円柱形本体を有し、該第一の電極が、該前表面のおよそ中心に位置し、該第一の電極の前面が、大きさおよび形状を有する、第一の電極；
    該本体構造体を通して位置決めされる第二の電極であって、該第二の電極は、前面が該前表面と実質的に同一面である円柱形本体を有し、該第二の電極が、該前表面の外周の近くに位置し、該第二の電極の前面が、該第一の電極の大きさおよび形状と実質的に同じ大きさおよび形状を有する、第二の電極；ならびに
    第一の表面および第二の表面を有するダイアフラムであって、該第一の表面は、該隆起外周部分上で位置決めされ、そして該隆起外周部分の厚さだけ、該本体構造体の前表面から間隔を空けており、該ダイアフラムの第一の表面は、張力下で、該隆起外周部分に固定されており、該ダイアフラムの第二の表面は、完全に平滑であり、そして妨害されていない露出表面である、ダイアフラム、
    を備える、キャパシタンスダイアフラム圧力計。
12. 前記第一の電極と前記第二の電極との各々が、以下：
    第一の熱膨張特徴を有するように選択された材料を含有する第一の部分であって、該第一の熱膨張特徴は、前記隆起外周部分の熱膨張特徴と類似である、第一の部分；および
    第二の熱膨張特徴を有するように選択された材料を含有する後部分であって、該第二の熱膨張特徴は、該第一の熱膨張特徴より低い、後部分、
    を備える、請求項１１に記載のキャパシタンスダイアフラム圧力計。

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