JP2007517226A

JP2007517226A - 改造した二重ダイヤフラム圧力センサ

Info

Publication number: JP2007517226A
Application number: JP2006547217A
Authority: JP
Inventors: ワン，ツ−ユ; カブズ，ユージーン・アイ
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2003-12-30
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2007-06-28
Also published as: US6886410B1; WO2005066599A2; WO2005066599A3; EP1700092B1; DE602004009609T2; EP1700092A2; DE602004009609D1

Abstract

【課題】
【解決手段】密封チャンバを画成する部分と通じて取り付けられた第一のダイヤフラムと、好ましくは、スペーサにより、第一のダイヤフラムから電気的に絶縁された第二のダイヤフラムとを有するチャンバを画成する部分を含む、圧力を検知する装置である。ダイヤフラムは、可撓性であり且つ導電性表面を有している。センサチャンバが第二のダイヤフラムの両側部に取り付けられている。該センサチャンバは、検知する雰囲気と通じた開口部を有している。ダイヤフラムの一方は、流体が貫通して流れるのを許容する開口部をその表面に有し、他方のダイヤフラムは、無孔であり、センサチャンバ内の圧力変化に応答して一方のダイヤフラムから又は該一方のダイヤフラムに向けて動く。電気的接続部は、センサチャンバ内の圧力の関数としてダイヤフラムの間の静電容量を測定する。

Description

本発明は、全体として、圧力センサの技術、より具体的には、気体及び液体の圧力検知用の圧力センサの使い捨て型の又は高容量型の低コスト圧力センサに関する。

現代の産業用、商業用、航空宇宙用及び軍事用システムは、流体を取り扱う、信頼性の高いポンプに極めて大きく依存している。気体及び液体流体の双方は、より小型、より分散型及びより持ち運びやすいシステムを実現するため、計測及び制御における用途を増大させることができる。

ここ数１０年に亙りポンプ技術における重要な進歩が為されているが、ポンプの寸法、重量、動力消費量及びコストを削減する能力の点にて進歩の速度は著しく遅くなっている。マイクロポンプを含む従来のポンプと、マイクロエレクトロニクス技術に基づく、より進歩したポンプとの技術の間に大きな隔たりがある。

マイクロポンプの圧送範囲は、約１ないし数１０マイクロリットル／分の範囲である。このため、マイクロポンプは、薬剤を送り出し又は化学的分析システムのためマイクロ投与する、埋め込み型システムのような用途にて有用である。しかし、ポンプ速度は、依然として、標本採取の用途には遅過ぎる。圧力の検知は、特に、大きな圧力変化が生ずる前に、その変化を予測するため、圧力変化を迅速に知らせることを必要とすることがある。

回転部品又は摺動部品が存在せず、電気対空気圧への変換が効率的である、メゾスコピックなポンプを使用することが提案されている。これらのメゾポンプは、化学剤、生物学的剤、爆発性剤又はその他の剤を検出する軍事システムの能力を顕著に向上させている。これらのポンプの幾つかは、米国特許明細書５，８３６，７５０号に開示されており、この場合、例えば、各々が単一のダイヤフラムを有する３つ、又は４つのチャンバのような複数のチャンバがある。装置は、所期の用途に極めて適しているが、その他の特徴の点にて幾つかの難点がある。主たる問題点は、デッドスペースとなる、側方通路が存在することである。

この状況を解決するため、米国特許明細書６，１７９，５８６号に記載されたような、改良された静電ポンプが開発されている。この特許において、ポンプは、互いに直接重ね合わせた２つの薄いダイヤフラムを有する単一の成形プラスチックチャンバから成る。ダイヤフラムは、その設計に依存して、静電気、電磁、又は圧電の方法により作動される。この特許には、圧送のため、単一のチャンバを使用することが記載されている。

この先行特許は、当該技術における大きな改良ではあるが、これにも幾つかの難点がある。例えば、先行の特許は、成形プラスチック部品の金属被覆及び誘電性パターン化を必要とする。検知方法について言えば、この装置を改造することなく、同一の装置を使用して正圧及び負圧を検知することはできない。先行技術の特許は、双方のダイヤフラムが、圧送動作の一部として共に動くようにする。この特許には、構造体のその他の使用は開示されていない。

従来のメゾポンプの構造を利用することができ且つ、その他の用途を有する圧力センサを開発することができるならば、非常に有益であろう。

メゾポンプ技術を改良し、液体及び気体の双方に提供でき、且つ、正圧及び負圧に対する精密な圧力検知装置を提供することができるならば、別の有利な効果が得られるであろう。

その他の有利な効果及び特徴については、以下に記載するであろう。

本発明は、装置の形態に依存して、正圧及び負圧の双方を測定することのできる低コスト、効果的なメゾ圧力センサを提供するものである。該センサは、多くの商業的入手先から容易に入手可能である低コストの射出プラスチック及びプラスチックフィルムから作られる。

その最も簡単な形態において、本発明は、圧力センサを形成する構成要素又は要素の積層体を備えている。密封チャンバ部分は、標準型の設計であり、プラスチック又はその他の材料にて出来ている。装置のその他の要素との電気的接触を許容し得るように部品に開口部が形成又は成形される。第一のダイヤフラムは、一側部がチャンバ部分と対向するように配置され、スペーサが第一のダイヤフラムの反対側に対向するように配置される。第一のダイヤフラムは、電気的接触を為し得るようにチャンバ部分の開口部の１つと整合した第一の接点を有している。スペーサには、第一のダイヤフラムと接触しない電気的接続を許容するため、開口部を設けることもできる。第二のダイヤフラムは、スペーサの反対側部に配置され、また、該部品との電気的接触も同様に為される。第一及び第二のダイヤフラムの双方は、多少の金属被覆を有し、また、選択的に、その上に誘電性フィルムを有している。最後に、密封チャンバ部分と同一設計のセンサチャンバ部分は、第二のダイヤフラムとぴたりと合わさる。このセンサチャンバ部分は、検知される環境と通じた開口部を有している。

この形態に加えて、装置は、１つの追加的な特徴を有する。２つのダイヤフラムの１つは、少なくとも１つの穴を有しており、液体又は気体が該少なくとも１つの穴を通過するのを許容するが、この選ばれたダイヤフラムを撓ませることは許容しないようにする。他方のダイヤフラムは、無孔であり、検知する雰囲気中にて圧力が変化するとき、この他方のダイヤフラムが撓むことができるよう、検出する雰囲気に向けられている。２つのダイヤフラムの間の静電容量は、上述した接続部及び電気接点を使用して測定され又はプロットされ、圧力の変化の結果、静電容量が測定可能な程度に変化する。このようにして、装置は圧力センサとして機能する。

装置が正圧を測定するとき、第一のダイヤフラムは無孔で、第二のダイヤフラムは開口部を有するものとする。圧力の上昇等によって検知する雰囲気圧力が変化するとき、第一のダイヤフラムは、第二のダイヤフラムから動いて離れ、また、静電容量の変化は圧力の上昇を示すであろう。圧力が降下し、しかし、依然、正圧であるならば、第一のダイヤフラムは、第二のダイヤフラムに向けて動き、その圧力変化は、２つのダイヤフラムの間の静電容量の変化によって測定されよう。

装置が負圧を測定しているとき、第一のダイヤフラムは、開口部を有し、第二のダイヤフラムは無孔であるものとする。圧力が降下し、又は真空度が上昇すること等によって負圧が変化するとき、第二のダイヤフラムは第一のダイヤフラムから動いて離れ、静電容量の変化は圧力の降下又は真空度の上昇を示すであろう。圧力が上昇し、しかし、依然、負圧であるならば、第二のダイヤフラムは、第一のダイヤフラムに向けて動き、その変化は、２つのダイヤフラムの間の静電容量の変化によって測定されよう。

本発明をより完全に理解するため、図面に関して以下に説明する。

図面において、幾つかの図面の全体を通じて同一又は相応する構成要素及び単一体は同様の参照符号にて表示する。

図面を参照すると、装置１０は、全体として、チャンバ１３に対して上側密封チャンバを画成する部分１１を有している。第一の可撓性ダイヤフラム１５は、２つの側部を有し且つ、上記の密封チャンバを画成する部分１１にてチャンバ１３と通じた部分１１に一側部が取り付けられている。第一の可撓性ダイヤフラム１５は、金属製とすることができ、また、誘電性材料を含むこともできる導電性表面を備えている。

スペーサ１７は、上記第一の可撓性ダイヤフラム１５の、反対側部（「一側部」ではない方）に取り付けられ、また、２つの側部を有する第二の可撓性ダイヤフラム１９は、一側部にてスペーサ１７と通ずるように取り付けられている。第二の可撓性ダイヤフラム１９は、簡単な従来の金属被覆方法により配置されることが好ましい導電性表面も有しており、また、誘電性材料を有してもよい。

センサチャンバを画成する部分２１は、上記第二の可撓性ダイヤフラム１９の反対側部に取り付けられる。部分２１は、チャンバ２５を検知する雰囲気２７と接続する開口部２３を有している。

部分１１、２１並びにスペーサ１７は、任意の無孔な材料にて出来たものとすることができる。好ましいものは、所望の形状に経済的に且つ迅速に成形し又はその他の方法にて製造することのできるプラスチックである。可撓性ダイヤフラム１５、１９は、導電性であり且つ、上述したように金属被覆により及び（又は）誘電性フィルム被覆により導電性とされたプラスチックフィルムである。

部分１１は、組み立て中に決定した基準圧力にて密封されたチャンバを形成する。装置は、ダイヤフラムの形態に依存して、正圧又は負圧又は真空圧を測定するセンサとして作動可能である。選択によって、第一及び第二の可撓性ダイヤフラム１５、１９の一方は、その表面の１つに開口部を有しており、流体が該開口部を通って流れるのを許容する。上記第一及び第二のダイヤフラム１５、１９の他方は、無孔であり、上記センサチャンバ２５内の圧力変化に応答して穴を有する上記可撓性ダイヤフラムの一方から離れ又はその一方に向けて動く。

密封チャンバ１１内にて第一及び第二の可撓性ダイヤフラム１５、１９に対して穴３１、３３を介して電気的接続が為される。第一のダイヤフラム１５は、電気的接続部が貫通する穴３７と、ダイヤフラム１５との電気的接続が為される箇所である接点３９とを有している。スペーサ１７は、電気的接続部が接点４５にて第二の可撓性ダイヤフラム１９まで進むための穴又はポート４１も有している。これらの接続部及び接点は、装置が開口部２３を通して導入されたセンサチャンバ１５内の圧力の関数として、上記ダイヤフラム１５、１９の間の静電容量を測定することを許容する。圧力変化によって、１つの可撓性ダイヤフラムは他方の可撓性ダイヤフラムに対して動く。

図１及び図２において、本発明の装置は、正圧を測定する形態とされている。穴３５は、第二の可撓性ダイヤフラム１９に配置されている一方、第一の可撓性ダイヤフラム１５は無孔である。正圧がチャンバ２５に入ると、可撓性ダイヤフラム１５は、第二の可撓性ダイヤフラム１９から押され又は撓んで離れる。穴３５を介してその両側部の圧力は等しくなるため、第二の可撓性ダイヤフラムは動かない。無孔の可撓性ダイヤフラム１５は、部分１１を有するチャンバ１３を形成し、また、上述したように、組み立てる間、チャンバ２５内の圧力に対し制御された抵抗として機能するよう基準圧力に設定される。

図３及び図４において、本発明の装置は、負圧を測定し得る形態とされている。穴３５は、第一の可撓性ダイヤフラム１５に配置される一方、第二の可撓性ダイヤフラム１９は無孔である。負圧がチャンバ２５内にて観察されたとき、可撓性ダイヤフラム１９は第一の可撓性ダイヤフラム１５から引っ張られ又は撓んで離れる。穴３５を介してその両側部の圧力は等しくなるから、第一の可撓性ダイヤフラムは動かない。無孔の可撓性ダイヤフラム１９は、部分１１を有するチャンバ１３を形成し、また、上述したように、組み立てる間、チャンバ２５内の圧力に対して制御された抵抗として機能するよう基準圧力に設定される。

一例としての経済的な装置が望まれ、又は小型の装置でなければならない幾つかの場合、スペーサ１７は、特定の用途にて不要であろう。可撓性ダイヤフラム１５、１９は、スペーサ１７無しで密封チャンバ部分１１と検知するチャンバ部分２１との間に取り付けられよう。その他の適用例において、センサチャンバ部分２１は、単に、検知する雰囲気と通じた第二の可撓性ダイヤフラム１９の外面とするだけでよい。

検知する雰囲気は、雰囲気、気体ポンプ、化学的及び電気分解反応及び同様のもののような気体を含み又は反応器、試験装置、ポンプ及び同様のもののような液体を含む任意の流体とすることができる。

本発明の具体的な実施の形態について図示し且つ説明したが、これらは単に一例であり、当該技術の当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、本明細書に記載した実施の形態に対して変更例及び改変例を為すことが可能であろう。かかる全ての等価的な変更例及び改変例は、本発明の範囲に包含することを意図するものであり、特許請求の範囲に記載された以外、本発明を限定することを意図するものではない。

本発明の１つの実施の形態を示す側面断面図である。図１に示した実施の形態を示す分解平面図である。本発明の別の実施の形態を示す側面断面図である。図３に示した実施の形態を示す分解平面図である。

Claims

圧力を検知する装置において、
密封チャンバを画成する部分と、
両側部を有する第一の可撓性ダイヤフラムにして、前記密封チャンバを画成する部分にてチャンバと通じるようにして一側部を取り付けられ、導電性表面を有する第一の可撓性ダイヤフラムと、
前記第一の可撓性ダイヤフラムの反対側部に取り付けられた絶縁体と、
両側部を有する第二の可撓性ダイヤフラムにして、前記絶縁体と通じるようにして一側部を取り付けられ、導電性表面を有する第二の可撓性ダイヤフラムと、
前記第二の可撓性ダイヤフラムの反対側部に取り付けられ、検知する雰囲気と通じる開口部を有するセンサチャンバを画成する部分と、を備え、これにより、前記第一及び第二の可撓性ダイヤフラムの一方は、流体が貫通して流れるのを許容するその表面において開口部を有し、前記第一及び第二のダイヤフラムの他方は、無孔であり且つ前記センサチャンバ内の圧力変化に応答して前記可撓性ダイヤフラムの前記一方から又は該一方に向けて動くようになされており、
前記第一及び第二の可撓性ダイヤフラムと接触し、前記開口部を通して導入された前記センサチャンバ内の圧力の関数として前記ダイヤフラムの間の静電容量を測定し得るようにされ、前記一方の可撓性ダイヤフラムが前記可撓性ダイヤフラムの他方に対して動くようにする電気的接続部をさらに備える、圧力を検知する装置。
請求項１に記載の装置において、絶縁体は無孔の非導電性スペーサである、装置。
請求項１に記載の装置において、前記流体は、液体及び気体から選ばれる、装置。
請求項１に記載の装置において、前記第一及び第二の可撓性ダイヤフラムは、導電性表面と、電気的接点とを有する、装置。
請求項４に記載の装置において、前記第一及び第二の可撓性ダイヤフラムは、誘電性フィルムを更に有する、装置。
請求項１に記載の装置において、前記第二の可撓性ダイヤフラムは、流体が貫通して流れるのを許容する開口部をその表面に有し、前記第一のダイヤフラムは、無孔であり、前記センサチャンバ手段内の圧力変化に応答して、前記第二の可撓性ダイヤフラム手段から又は該第二の可撓性ダイヤフラム手段に向けて動いて、正圧を検出するようになされている、装置。
請求項１に記載の装置において、前記第一の可撓性ダイヤフラムは、流体が貫通して流れるのを許容する開口部をその表面に有し、前記第二のダイヤフラムは、無孔であり、前記センサチャンバ内の圧力変化に応答して、前記第二の可撓性ダイヤフラムから又は該第二の可撓性ダイヤフラムに向けて動いて、負圧を検出するようになされている、装置。
圧力を検知する装置において、
密封チャンバを画成する密封チャンバ手段と、
前記密封チャンバ手段と通じるようにして取り付けられ、導電性表面を有する第一の可撓性ダイヤフラム手段と、
前記第一の可撓性ダイヤフラムを絶縁し、前記第一の可撓性ダイヤフラム手段の反対側部に取り付けられる絶縁体手段と、
前記絶縁体手段と通じるようにして取り付けられ、導電性表面を有する第二の可撓性ダイヤフラム手段と、
検知する雰囲気と通じ、前記第二の可撓性ダイヤフラム手段の反対側部に取り付けられるセンサチャンバ手段と、
前記開口部を通して導入された前記センサチャンバ手段内の圧力の関数として前記第一及び第二の可撓性ダイヤフラムの間の静電容量を測定する電気的接続手段とを備える、圧力を検知する装置。
請求項８に記載の装置において、前記絶縁体手段は、前記第一及び第二の可撓性ダイヤフラム手段を分離する無孔の非導電性スペーサ手段である、装置。
請求項８に記載の装置において、前記流体は、液体及び気体から選ばれる、装置。
請求項８に記載の装置において、前記第一及び第二の可撓性ダイヤフラム手段は、導電性表面と、電気的接点とを有する、装置。
請求項１１に記載の装置において、前記第一及び第二の可撓性ダイヤフラム手段は、誘電性フィルムを更に有する、装置。
請求項８に記載の装置において、前記第二の可撓性ダイヤフラム手段は、流体が貫通して流れるのを許容する開口部をその表面に有し、前記第一のダイヤフラム手段は、無孔であり、前記センサチャンバ手段内の圧力変化に応答して、前記第二の可撓性ダイヤフラム手段から又は該第二の可撓性ダイヤフラム手段に向けて動いて、正圧を検出するようになされている、装置。
請求項８に記載の装置において、前記第一の可撓性ダイヤフラム手段は、流体が貫通して流れるのを許容する開口部をその表面に有し、前記第二のダイヤフラム手段は、無孔であり、前記センサチャンバ手段内の圧力変化に応答して、前記第一の可撓性ダイヤフラム手段から又は該第一の可撓性ダイヤフラム手段に向けて動いて、負圧を検出するようになされている、装置。
検知する雰囲気中の圧力を検知する方法において、
両端を有するセンサ装置であって、前記検出する雰囲気と通ずる開口部を一端に有し、前記開口部は、センサチャンバを画成する部分の一部を形成する前記センサ装置によりセンサを前記検出する雰囲気に露出させるステップを備え、
前記装置の他端を形成する密封チャンバを画成する部分を備え、
前記装置は、両側部を有し且つ、前記密封チャンバを画成する部分にてチャンバと通じて一側部に取り付けられ、導電性表面を有する第一の可撓性ダイヤフラムを備え、
前記装置は、前記第一の可撓性ダイヤフラムの反対側部における絶縁体を有し、
前記装置は、両側部を有し且つ、前記絶縁体と通じて一側部に取り付けられ、導電性表面を有する第二の可撓性ダイヤフラムを備え、
前記センサチャンバを画成する部分は、前記第二の可撓性ダイヤフラムの反対側部に取り付けられ、
前記第一及び第二の可撓性ダイヤフラムの一方に対し、流体が貫通して流れるのを許容するその表面における開口部を設け、前記第一及び第二のダイヤフラムの他方は、無孔であり且つ、前記センサチャンバ内の圧力変化に応答して前記可撓性ダイヤフラムの前記一方から又は該一方に向けて動くようにするステップと、
前記第一及び第二の可撓性ダイヤフラムに接触する電気的接続部を形成し、前記開口部を通して導入された前記センサチャンバ内の圧力の関数として前記ダイヤフラムの間の静電容量を測定し、また、前記一方の可撓性ダイヤフラムが前記可撓性ダイヤフラムの他方に対して動くようにするステップと、
前記静電容量の関数として前記検知する雰囲気内の圧力を感知するステップとを備える、検知する雰囲気中の圧力を検知する方法。
請求項１５に記載の方法において、前記流体は、液体及び気体から選ばれる、方法。
請求項１５に記載の方法において、前記第一及び第二の可撓性ダイヤフラムは、導電性表面と、電気的接点とを有する、方法。
請求項１７に記載の装置において、前記第一及び第二の可撓性ダイヤフラムは、誘電性フィルムを更に有する、方法。
請求項１５に記載の方法において、前記第二の可撓性ダイヤフラムは、流体が貫通して流れるのを許容する開口部をその表面に有し、前記第一のダイヤフラムは、無孔であり、前記センサチャンバ手段内の圧力変化に応答して、前記第二の可撓性ダイヤフラム手段から又は該第二の可撓性ダイヤフラム手段に向けて動いて、正圧を検出する、方法。
請求項１５に記載の方法において、前記第一の可撓性ダイヤフラムは、流体が貫通して流れるのを許容する開口部をその表面に有し、前記第二のダイヤフラムは、無孔であり、前記センサチャンバ内の圧力変化に応答して、前記第二の可撓性ダイヤフラムから又は該第二の可撓性ダイヤフラムに向けて動いて、負圧を検出する、方法。