JP2008509424A

JP2008509424A - 改変型の二重ダイヤフラム式圧力センサ

Info

Publication number: JP2008509424A
Application number: JP2007525729A
Authority: JP
Inventors: ワン，ツ−ユ; カブズ，ユージン・アイ
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2004-08-09
Filing date: 2005-08-09
Publication date: 2008-03-27
Anticipated expiration: 2025-08-09
Also published as: JP5073493B2; EP1778978A1; WO2006020620A1; US20050139797A1; US6991213B2

Abstract

ダイヤフラムのローリング接触を促進するために追加の要素が加えられた、２つの可撓性ダイヤフラムを用いて圧力を感知するための装置。一実施形態では、可撓性ダイヤフラムを、一方の可撓性ダイヤフラムの偏向が他方に対してローリングし、その結果線形の容量性応答が増加するように、非平行に位置合せして配置する。別の実施形態では、非導電性スペーシング要素が、ダイヤフラムが変位したときにローリング接触を可能にするように、ダイヤフラム間に置かれる。これらの装置は、容量性の圧力計である。１つの追加の実施形態は、一方のダイヤフラムを線形に偏向するダイヤフラムに変換するための、カンチレバーヒンジおよび剛性のポリマーディスクを含む。

Description

本発明は一般に圧力センサ技術に関し、より詳細には、良好な感度、向上した線形性、およびさらに低コストで、気体および液体ベースで圧力を感知するための圧力センサの使い捨てまたは高容量用途用の低コストの圧力センサに関する。本願は、参照により本明細書にその全体を組み込む、２００３年１２月３０日出願の先行出願第１０／７４８８１７号の一部継続出願である。

最近の工業、商業、宇宙、および軍事システムは、流体操作のための信頼性の高いポンプに決定的に依存している。気体および液体の流体は共に、計装および制御における有用性を高めるために、より小さく、より分散型で、より持ち運び易いシステムを利用する。米国特許第６，１７９，５８６号に記載されているように、改良型の静電ポンプが開発されている。同特許では、ポンプは、互いに直接重ねられた２つの薄いダイヤフラムを備える単一の成形プラスチックチャンバからなる。このダイヤフラムは、設計に応じて、静電法、電磁法、または圧電法によって作動される。同特許は、ポンプ輸送のための単一のチャンバの使用を記載している。

この技術から、単一の成形プラスチックチャンバから複数のダイヤフラム動作の速度および効率を利用することができる改良型の圧力センサが必要になってきた。しかし、圧力センサを最適に動作させるには、圧力変化への応答が、できる限り線形であるべきである。

メソポンプ構造を用いた圧力センサが改良された感度を有するならば、大いに有利となるはずである。
メソポンプ構造を用いた圧力センサがさらに厳密な線形化を有するならば、別の利点になるはずである。

メソポンプ技術を、センサとしてもバルブとしても使用できるよう、より低コストで製造されるように改変することができるならば、さらに別の利点になるはずである。
その他の利点および特徴は、下記に示される。

本発明は、装置がどのように構成されているかに応じて正圧でも負圧でも測定することができる、低コストで効果的なメソ圧力センサの改良をもたらす。この改良型のセンサは、多くの商業的供給源から容易に入手可能な、安価な射出成形されたプラスチックおよびプラスチックフィルムから製造される。

センサは、密封チャンバ画定部分と、一方の面で密封チャンバと連絡して取り付けられている第１の可撓性ダイヤフラムと、絶縁体で第１のダイヤフラムから分離された第２の可撓性ダイヤフラムとを含む。センサチャンバ画定部分が、第２のダイヤフラムの他方の面に、感知用雰囲気と連通するように取り付けられている。

本発明の一実施形態では、第１および第２の可撓性ダイヤフラムが、互いに非平行に位置合せして取り付けられ、一方の可撓性ダイヤフラムの偏向が、他方に対してローリングし、その結果線形の容量性応答が増加する。代替の実施形態では、非導電性スペーサ要素が、ダイヤフラムの少なくとも一方が変位するときにローリング接触を可能にしながらダイヤフラムを分離するように、これらの間に位置決めされる。いずれの実施形態においても、スペーサは、中間にあろうと周辺にあろうと、ダイヤフラム間の接触部を互いに対してローリングさせて、線形の応答をもたらす。別の実施形態では、カンチレバーヒンジおよび剛性ポリマーディスクのタブが、チャンバ内で第１の可撓性ダイヤフラムとチャンバの間に取り付けられ、それによって、第１の可撓性ダイヤフラムが線形に偏向するダイヤフラムに変換される。

本発明をより完全に理解するために、ここで図面を参照する。
図面において、同じ参照文字は、複数の図面にわたって同一のまたは対応する構成要素およびユニットを示す。

本発明の全ての圧力センサは、参照によってその全体が上記で組み込まれた、本願の権利者が所有する、同じ発明者による２００３年１２月３０出願の先行出願第１０／７４８，８１７号に開示されている諸要素を有する。センサは、密封チャンバ画定部分と、２つの面を有し、一方の面で密封チャンバ画定部分のチャンバと連絡して取り付けられた第１の可撓性ダイヤフラムとを含む。第１の可撓性ダイヤフラムは導電性表面を有し、第１の可撓性ダイヤフラムの他方の面に絶縁体が取り付けられている。２つの面を有する第２の可撓性ダイヤフラムは、一方の面で絶縁体と連絡して取り付けられている。第２の可撓性ダイヤフラムもまた、導電性表面を有し、第２の可撓性ダイヤフラムの他方の面でセンサチャンバ画定部分と連絡して取り付けられている。このチャンバは、感知用雰囲気と連通する開口部を有する。ダイヤフラム間の容量の測定値は、開口部から導入され、一方の可撓性ダイヤフラムを可撓性ダイヤフラムの他方に対して動かす、センサチャンバ内の圧力の関数である。

図面を参照すると、図１は、密閉チャンバ１３を画定する上側チャンバ形成要素１１と、ポート１９を有する開放チャンバ１７を画定する下側チャンバ形成要素１５とを有する圧力センサ１０の全体を図示する。チャンバ画定要素１１および１７は、プラスチックまたは他の非導電性材料で製造されてよく、成形されても組み立てられてもよい。部分１１または１７はいずれも、いかなるメタライゼーションまたは他のパターニングも有していない。上側ダイヤフラム２１が、密閉チャンバ形成要素１３上に取り付けられ、スペーサ２５によって垂直軸２３に対してある角度で離間されている。

ダイヤフラム２１は、メタライゼーションまたは誘電体膜を有するプラスチックフィルムでよい。ダイヤフラム２１は、穴があいていてもよく、動作中、剛性のままである。下側ダイヤフラム２７が、下側チャンバ形成要素１５上およびスペーサ２５の他方の面に取り付けられる。ダイヤフラム２７は、メタライゼーションを有する、または誘電体膜から形成されるプラスチックフィルムでよく、密封空洞または密閉チャンバ１３を形成する。スペーサ２５はまた、プラスチックから製造されることが好ましく、メタライゼーションを含まない。スペーサ２５は、軸２５に対してある角度でダイヤフラム２１と２７を分離する。ダイヤフラム２７は可撓性であるので、開放チャンバ１７の圧力によってダイヤフラム２１との接触が増加し、それによって線形の圧力センサをもたらす。

図２は、図１の部分の分解図を平面図で示す。上側チャンバ形成要素１１は、空洞またはバックストップ３１および電気接点要素３６に開口した穴３３を含む。ダイヤフラム２１は、電気接点用の穴３３を含み、また穴３５を有してよく、かつ接点３７を含む。図１に断面図でまた図２に平面図で示すようにパイ状であるスペーサ２５もまた、電気接点用の穴３３を含む。ダイヤフラム２７は穴があけられておらず、要素３６との接触のための接点３７を含む。最後に、下側チャンバ画定要素１５は、ポート１９を介する圧力のアクセスを提供し、空洞３９を含む。任意選択の実施形態では、チャンバ１５は、ダイヤフラム２７をスペーサ２５に取り付けるためのリング、または他の取付け手段で置き換えてもよい。

理解できるように、図１および２の装置は、最初に一方のダイヤフラムを他方に対してある角度で設定することによって線形のダイヤフラム偏向をもたらす。変形したダイヤフラムが偏向すると、このダイヤフラムは他方のダイヤフラムに沿ってローリングし、従来技術の設計よりもより線形の容量性応答を生み出す。

図３では、本発明の追加の要素が示されている。図１のスペーサ２５の代わりに、スペーサ要素４５が、ダイヤフラム２１とダイヤフラム２７の間に取り付けられる。これらのダイヤフラムは、取付け要素４７によってそれぞれの周辺端部で取り付けられ、電気接点４９を含む。上側チャンバ要素１１および下側チャンバ要素１５は、説明を簡単にするためにこの図では示されていない。スペーサ４５は、球状または立方体など任意の形状の非導電性要素であり、パターン付きのＳＵ８製ピラーでよい。スペーサ４５は、成形されるか、または別の方法で形成される。動作は図１と同じであるが、圧力源５１からの圧力によって下側ダイヤフラム２７が偏向され、前と同じように従来技術の設計よりもさらに線形の容量性応答が引き起こされる。スペーサ４５は、最初、ダイヤフラム２１と２７を分離した状態に保ち、被膜２１と２７が接触するときローリング容量性接触を可能にする。ローリング接触作動により、変位に対する非常に大きな容量変化、および静電駆動のための非常に大きな力がもたらされる。どの実施形態のダイヤフラム２１も、所望であれば読み取り５３を可能にするための穴３３を有する。

チャンバ要素１および１５がポート１９を介してのみ密封系との連通を可能にするときなど、ダイヤフラム２１および２７が共に密封され、いかなる穴３５も有さないとき、本発明の装置は、絶対圧力センサとして働く。図３および４に示す第２の実施形態では、装置の両側で圧力を感知することができ、図１および２のような偏向ダイヤフラムを１つだけ有する装置に比べて感度が増大することがある。両側からの圧力が異なる場合、ダイヤフラム２１および２７は非対称に動くので、図３および４に示す装置はまた、差異を感知することができる能力も有する。

次に図５および６を見ると、密閉チャンバ１３を画定する上側チャンバ形成要素１１とポート１９を有する開放チャンバ１７を画定する下側チャンバ形成要素１５とを有する類似の実施形態が示されている。上側ダイヤフラム２１が、密閉チャンバ形成要素１３上に取り付けられ、下側ダイヤフラム２７が下側チャンバ形成要素１５上に取り付けられている。スペーサ５５は、本出願の親特許出願におけると同様にダイヤフラム２１と２７を分離する。スペーサ５５もまた、プラスチックから製造されることが好ましく、メタライゼーションを含まない。この実施形態はまたカンチレバー５７を含み、このカンチレバー５７は、カンチレバー５７および剛性部分５９が偏向ダイヤフラム２７の背後に位置するように、剛性部分５９を支持する。剛性要素５９は、従来の偏向ダイヤフラム２７の通常の膨れる動きを線形の偏向動作に変換する。

感知用雰囲気は、空気、気体ポンプ、化学反応、電解反応などの気体、または反応器、試験装置、ポンプなどの液体を含む、いかなる流体でもよい。
本発明の特定の実施形態について図示し説明してきたが、これらは単に例示的なものにすぎず、当業者は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載の諸実施形態に変形および改変を加えることができる。このような等価な変形形態および改変形態は全て、本発明の範囲内に含まれるものであり、添付の特許請求の範囲によって定義される以外は、本発明を限定するものではない。

非平行のダイヤフラムセンサとしての本発明の一実施形態の側面断面図である。図１に示す実施形態の分解平面図である。二重ダイヤフラム式センサとしての本発明の別の実施形態の側面断面図である。図３に示す実施形態の底面図である。カンチレバースタイルセンサとしての本発明の一実施形態の側面断面図である。図５に示す実施形態の分解平面図である。

Claims

密封チャンバ画定部分と、２つの面を有し、一方の面で前記密封チャンバ画定部分内の前記チャンバと連絡して取り付けられている第１の可撓性ダイヤフラムであって、導電性表面と前記第１の可撓性ダイヤフラムの前記他方の面に取り付けられた絶縁体とを有する前記第１の可撓性ダイヤフラムと、２つの面を有し、一方の面で前記絶縁体と連絡して取り付けられており、導電性表面を有する第２の可撓性ダイヤフラムと、前記第２の可撓性ダイヤフラムの前記他方の面に取り付けられており、感知用雰囲気と連通するための開口部を有するセンサチャンバ画定部分であって、前記第１および第２の可撓性ダイヤフラムの一方が、それらの開口部を通って流体が流れるのを可能にするための複数の開口部をその表面に含み、前記第１および第２のダイヤフラムの前記他方が、堅固であり、前記センサチャンバ内の圧力の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離れてまたはそれに向かって動く、センサチャンバ画定部分と、前記第１および前記第２の可撓性ダイヤフラムの接触を行うと共に、前記開口部から導入され、前記一方の可撓性ダイヤフラムを前記可撓性ダイヤフラムの前記他方に対して動かす、前記センサチャンバ内の前記圧力の関数として、前記ダイヤフラム間の容量を測定するようになされた電気接続とを有する、圧力を感知するための装置において、
前記第１と第２のダイヤフラムの間に配置され、圧力が感知されたときに前記第１および第２のダイヤフラムを線形に変化する接触状態にさせ、圧力の容量測定値を提供するように位置合せされたスペーサ要素を備える改良。
前記装置用の軸をさらに含み、前記スペーサ要素が、一方の可撓性ダイヤフラムの偏向が前記他方に対してローリングし、その結果線形の容量性応答が増加するよう、前記第１および第２の可撓性ダイヤフラムが互いに非平行に位置合せされるように前記密封チャンバ部分および前記絶縁体を前記軸に対してある角度で位置決めする、請求項１に記載の装置。
前記装置がさらに、その前記表面に、前記第１および第２のダイヤフラムの他方にかかる圧力の変化と連通できるようにする少なくとも１つの開口部を含む、請求項２に記載の装置。
前記スペーサ要素が、前記第１および第２のダイヤフラムの少なくとも一方が変位するときにローリング接触を可能にしながら前記ダイヤフラムを分離するように、前記ダイヤフラム間でそれらの前記中央に位置決めされた非導電性スペーサ要素を備える、請求項１に記載の装置。
前記装置がさらに、その前記表面に、前記第１および第２のダイヤフラムの他方にかかる圧力の変化と連通できるようにする少なくとも１つの開口部を含む、請求項４に記載の装置。
前記スペーサ要素が、前記チャンバ内で前記第１の可撓性ダイヤフラムと前記チャンバの間に取り付けられた、剛性のポリマーディスクを含むカンチレバータブおよびカンチレバーヒンジを備え、前記第１の可撓性ダイヤフラムが、それによって前記第１の可撓性ダイヤフラムが線形に偏向するダイヤフラムに変換されるように取り付けられる、請求項１に記載の装置。
前記装置がさらに、その前記表面に、前記第１および第２のダイヤフラムの他方にかかる圧力の変化と連通できるようにする少なくとも１つの開口部を含む、請求項６に記載の装置。
圧力を感知するための装置であって、
密封チャンバ画定部分と、
２つの面を有し、一方の面で前記密封チャンバ画定部分内の前記チャンバと連絡して取り付けられている第１の可撓性ダイヤフラムであって、導電性表面と前記第１の可撓性ダイヤフラムの前記他方の面に取り付けられた絶縁体とを有する第１の可撓性ダイヤフラムと、
２つの面を有し、一方の面で前記絶縁体と連絡して取り付けられており、導電性表面を有する第２の可撓性ダイヤフラムと、
前記第２の可撓性ダイヤフラムの前記他方の面に取り付けられており、感知用雰囲気と連通するための開口部を有するセンサチャンバ画定部分であって、前記第１および第２の可撓性ダイヤフラムの一方が、それらの開口部を通って流体が流れるのを可能にするための複数の開口部をその表面に含み、前記第１および第２のダイヤフラムの前記他方が、堅固であり、前記センサチャンバ内の圧力の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離れてまたはそれに向かって動く、センサチャンバ画定部分と、
前記第１と第２のダイヤフラムの間に配置され、圧力が感知されたときに前記第１および第２のダイヤフラムを線形に変化する接触状態にさせるように位置合せされたスペーサ要素と、
前記第１および前記第２の可撓性ダイヤフラムの接触を行うと共に、前記開口部から導入され、前記一方の可撓性ダイヤフラムを前記可撓性ダイヤフラムの前記他方に対して動かす、前記センサチャンバ内の前記圧力の関数として、前記ダイヤフラム間の容量を測定するようになされた電気接続とを備える装置。
前記装置用の軸をさらに含み、前記スペーサ要素が、一方の可撓性ダイヤフラムの偏向が前記他方に対してローリングし、その結果線形の容量性応答が増加するよう、前記第１および第２の可撓性ダイヤフラムが互いに非平行に位置合せされるように前記密封チャンバ部分および前記絶縁体を前記軸に対してある角度で位置決めする、請求項８に記載の装置。
前記装置がさらに、その前記表面に、前記第１および第２のダイヤフラムの他方にかかる圧力の変化と連通できるようにする少なくとも１つの開口部を含む、請求項９に記載の装置。
前記スペーサ要素が、前記第１および第２のダイヤフラムの少なくとも一方が変位するときにローリング接触を可能にしながら前記ダイヤフラムを分離するように、前記ダイヤフラム間でそれらの前記中央に位置決めされた非導電性スペーサ要素を備える、請求項８に記載の装置。
前記装置がさらに、その前記表面に、前記第１および第２のダイヤフラムの他方にかかる圧力の変化と連通できるようにする少なくとも１つの開口部を含む、請求項１１に記載の装置。
前記スペーサ要素が、前記チャンバ内で前記第１の可撓性ダイヤフラムと前記チャンバの間に取り付けられた、剛性のポリマーディスクを含むカンチレバータブおよびカンチレバーヒンジを備え、前記第１の可撓性ダイヤフラムが、それによって前記第１の可撓性ダイヤフラムが線形に偏向するダイヤフラムに変換されるように取り付けられる、請求項８に記載の装置。
前記装置がさらに、その前記表面に、前記第１および第２のダイヤフラムの他方にかかる圧力の変化と連通できるようにする少なくとも１つの開口部を含む、請求項１３に記載の装置。
圧力を感知するための装置であって、
チャンバを画定する密封チャンバ画定手段と、
前記チャンバ内で偏向し、２つの面を有し、一方の面で前記密封チャンバ画定部分内の前記チャンバと連絡して取り付けられている第１の可撓性ダイヤフラム手段であって、前記第１の可撓性ダイヤフラムが、導電性表面と前記第１の可撓性ダイヤフラムの前記他方の面に取り付けられた絶縁体とを有する第１の可撓性ダイヤフラム手段と、
前記チャンバ内で偏向し、２つの面を有し、一方の面で前記絶縁体と連絡して取り付けられており、導電性表面を有する第２の可撓性ダイヤフラム手段と、
感知用雰囲気と連通し、前記第２の可撓性ダイヤフラムの前記他方の面に取り付けられており、感知用雰囲気と連通するための開口部を有する開放センサチャンバ画定手段であって、前記第１および第２の可撓性ダイヤフラム手段の一方が、それらの開口部を通って流体が流れるのを可能にするための複数の開口部をその表面に含み、前記第１および第２のダイヤフラム手段の前記他方が、堅固であり、前記センサチャンバ内の圧力の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離れてまたはそれに向かって動く、開放センサチャンバ画定手段と、
前記第１と第２のダイヤフラムの間に配置され、圧力が感知されたときに前記第１および第２のダイヤフラム手段を線形に変化する接触状態にさせるように位置合せされた、前記ダイヤフラム手段を離間するスペーサ手段と、
前記第１および前記第２の可撓性ダイヤフラムの接触を行うと共に、前記開口部から導入され、前記一方の可撓性ダイヤフラムを前記可撓性ダイヤフラムの前記他方に対して動かす、前記センサチャンバ内の前記圧力の関数として、前記ダイヤフラム間の容量を測定する電気的接続手段とを備える装置。
前記装置用の軸をさらに含み、前記スペーサ手段が、一方の可撓性ダイヤフラム手段の偏向が前記他方に対してローリングし、その結果線形の容量性応答が増加するよう、前記第１および第２の可撓性ダイヤフラム手段が互いに非平行に位置合せされるように前記密封チャンバ手段を前記軸に対してある角度で位置決めする、請求項１５に記載の装置。
前記装置がさらに、その前記表面に、前記第１および第２のダイヤフラムの他方にかかる圧力の変化と連通できるようにする少なくとも１つの開口部を含む、請求項１６に記載の装置。
前記スペーサ手段が、前記第１および第２のダイヤフラム手段の少なくとも一方が変位するときに前記球状の要素がローリングするのを可能にしながら前記ダイヤフラム手段を分離するように、前記ダイヤフラム手段間でそれらの前記中央に近接して位置決めされた非導電性スペーサ要素を備える、請求項１５に記載の装置。
前記装置がさらに、その前記表面に、前記第１および第２のダイヤフラムの他方にかかる圧力の変化と連通できるようにする少なくとも１つの開口部を含む、請求項１８に記載の装置。
前記スペーサ要素が、前記チャンバ内で前記第１の可撓性ダイヤフラムと前記チャンバの間に取り付けられた、剛性のポリマーディスクを含むカンチレバータブおよびカンチレバーヒンジを備え、前記第１の可撓性ダイヤフラムが、それによって前記第１の可撓性ダイヤフラムが線形に偏向するダイヤフラムに変換されるように取り付けられる、請求項１５に記載の装置。