JP2009162751A - 高温用静電容量式静圧／動圧センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 高温用静電容量式静圧／動圧センサを提供する。
【解決手段】 本発明は、ガスタービン・エンジンで用いるような高温用途のための静電容量式圧力プロ−ブに関する。本発明の静電容量式プロ−ブ又は圧力センサ１０は、特に、圧力ポート３６を有する内部の検出チャンバー４２と、検出電極６２に隣接して位置する内部の基準チャンバー５２とを画定するセンサ・ハウジング２０を含む。基準チャンバー５２は、ヘインズ２３０アロイから作られた可撓性ダイヤフラム４４により検出チャンバー４２から分離され、検出チャンバー４２内に加えられる圧力に応じたダイヤフラム４４の撓みが、検出電極６２により検出される静電容量値の変化に対応する。
【選択図】 図３

Description

関連出願の相互参照
本願発明は、その開示が言及により全体として本明細書に取り込まれる、高温用静電容量式圧力センサであり、２００７年１２月３１日に出願された、米国仮特許出願第６１／００９，７１５号明細書に対する優先権の利益を享受する。

本願発明は、静電容量式圧力センサに関し、特に、高温において高い熱的強度、熱的安定性、及び耐酸化性を示す材料から作られるダイヤフラムを使用する、ガスタービン・エンジンにおける音圧波を検出するためのセンサ又はマイクロフォンのような、高温用静電容量式静圧／動圧センサに関する。

静電容量式圧力センサは、例えばその開示が参照によって全体として本明細書に取り込まれる、米国特許第６，１４８，６７４号明細書において開示されているように、当該技術分野においてよく知られている。しかしながら、これらの装置は高温では限られた適用性を有する。特に、先行技術の圧力センサの静電容量は、通常、ピコファラッド（ｐＦ）の範囲にあるため、それらは浮遊容量及びその他の環境条件の影響を受けやすい。これはガスタービン用途等の厳しい環境の用途における使用に対して、高温用静電容量式圧力センサを開発することを困難にする。実際、３５０℃を超えて動作できる市販の静電容量式圧力センサは現存しない。

この障壁は部分的に、保護技術と周波数変調（ＦＭ）の容量性伝送技術との組合せにより克服されて来ている。正確で信頼性の高い計測を達成するために、全ての浮遊容量が信号ピックオフ回路において除去されねばならない。これはガーディングと呼ばれる技術によって防止され得る。ガーディングは、検出領域自体と同じ電圧に保たれた、非検出導体を伴う検出電極領域を囲むことにより達成される。この技術は、また、圧力検出器を信号調整回路に接続する３軸ケーブルを保護するためにも用いられる。その結果、たとえケーブルが１０ｍ位までに至る長さであったとしても、入力信号のロスがない。

容量性ピックオフ信号に影響する別の要素は、温度が上昇するにつれて減少する誘電材料の抵抗である。これは高温において、直流（ＤＣ）信号の検出を困難にする。周波数変調（ＦＭ）容量測定システムはこの問題を解決する。ＦＭの使用はシステムを搬送波周波数の変動に対して敏感にし、ＥＳＤ＝静電気放電（Electro Static Discharge）又は変動するＥＭ＝電磁（Electro Magnetic）場を無視する。

その開示が参照によって、本明細書に取り込まれる、ホー（Ho）に付与された米国特許第７，２５８，８０６号明細書は、静電容量式マイクロフォン装置用のダイヤフラムを開示している。そのダイヤフラムは、その上に形成された誘電層を有する第１の基板を用いて作られる。次に第２の金属ダイヤフラム層が基板に対して誘電層の上に置かれる。マイクロフォンの検出性能を改善するために、材料の層を用いてダイヤフラムを製作することは珍しいことではない。しかしながら、層状のダイヤフラムは製作するのが高価であり、そして高温の環境において動作することが出来ない。

これらの欠陥に対する解決策は、従来、ダイヤフラムと基板との間の熱的な不一致を最小化するために全金属製のダイヤフラムを採用することである。しかしながら、圧力センサ又はマイクロフォンにおける金属ダイヤフラムの欠点の１つは、高温における温度のヒステリシス及び圧力のヒステリシスである。インコネル７５０で作られたダイヤフラムを有する、有用な静電容量式圧力センサが本発明者により製作され、試験された。０．１０３ＭＰａ（１５ｐｓｉ）〜４．１３７ＭＰａ（６００ｐｓｉ）の圧力における、−５５℃〜５００℃の温度サイクル試験は、何ら温度補償無しに、そのような装置における温度のヒステリシスが約０．７６％であり、圧力のヒステリシスが約１．３％未満であることを示す。これらの値は、通常０．２５％未満であるシリコン・ダイヤフラムと比べて、比較的大きい。ヒステリシスの影響を低減するために、より優れた高温用ダイヤフラム材料が要望される。本願発明は、先行技術の欠点を克服する材料で作られ、高温において（動的又は静的）圧力のより正確な測定を提供するために構成されるダイヤフラムを有する圧力プローブを対象にしている。

本願発明は、ガスタービン・エンジンで用いるような、高温用途のための新しい有用な静電容量式圧力センサを対象にしている。本発明の静電容量式プローブ又は圧力センサのある構造はとりわけ、圧力ポートを有する内部の検出チャンバーと、検出電極に隣接して位置する内部の基準チャンバーとを画定するセンサ・ハウジングを含む。基準チャンバーは、ヘインズ２３０アロイ（Haynes 230 alloy）から作られた可撓性ダイヤフラムにより検出チャンバーから分離され、検出チャンバー内に加えられる圧力に応じたダイヤフラムの撓みは、検出電極により検出される静電容量値の変化に対応する。基準チャンバーは、１．３３３ＭＰａ（１０ｍＴｏｒｒ）未満の圧力で真空にシールされることが望ましい。

基準チャンバー内で検出電極とダイヤフラムとの間に隙間が設けられ、その隙間は約６７μｍ〜１００μｍであることが想定される。

望ましくは、検出電極はアースに対する信号線の寄生容量からシールドされる。ある実施形態において、検出電極はアースに対する信号線の寄生容量から保護リングによりシールドされている。さらに、保護リングは信号線を通る電位に等しい電位によって駆動されることが想定される。その上、ある構造においては、検出電極と保護リングとの間にセラミックの絶縁体が配置される。

望ましくは、本発明の静電容量式圧力センサは、圧力測定を得るために、ダイヤフラムが撓む際に静電容量において検出される変化を読み取るための機構をさらに含む。

ある好適な実施形態において、圧力センサはさらに検出チャンバーと基準チャンバーとの間に連通をもたらす通気管を含む。検出チャンバーと基準チャンバーとの間の連通を制限するために、バルブが通気管と組み合わされ得ることが想定される。

本発明は、特に、開口した圧力ポートを有する内部の検出チャンバーと、検出電極を収容する閉鎖された内部の基準チャンバーとを画定するセンサ・ハウジングを含む、静電容量式動圧マイクロフォンもまた対象にしている。マイクロフォンはさらに、基準チャンバーを検出チャンバーから分離し、そして検出電極から所定の隙間距離だけ隔てられた、可撓性ダイヤフラムを含む。

さらにマイクロフォンは、検出チャンバーと基準チャンバーとの間に、平衡した静的バックグラウンド圧力を保持するために連通をもたらす通気管を含む。通気管は、検出チャンバー内の圧力変化が所定の時間だけ、基準チャンバー内の対応する圧力変化に先行するように構成される。望ましくはその時間にわたる検出チャンバーと基準チャンバーとの間の圧力差は、同じ時間にわたりダイヤフラムの対応する撓みの変化を生じ、その時間にわたり対応する隙間距離の変化を発生し、前記時間にわたり検出電極によって検出される、対応する静電容量値の変化をもたらす。

ある実施形態において、可撓性ダイヤフラムは約７５０℃を超える温度において、高い熱的強度、熱的安定性、及び耐酸化性を示す材料から構成される。望ましくは、可撓性ダイヤフラムは約１１５０℃までの温度において、高い熱的強度及び熱的安定性を示す材料から構成される。さらに、可撓性ダイヤフラムはヘインズ２３０アロイから構成されることが望ましい。

本発明のマイクロフォンのある実施形態において、基準チャンバー内で検出電極とダイヤフラムとの間に隙間が設けられる。該隙間は約２０μｍ〜約２００μｍに及ぶことができ、そして約６７μｍ〜１００μｍであることが望ましい。

望ましくは、検出電極はアースに対する信号線の寄生容量からシールドされる。ある実施形態において、検出電極はアースに対する信号線の寄生容量から保護リングによりシールドされている。さらに、保護リングは信号線を通る電位に等しい電位によって駆動されることが想定される。その上、ある構造においては、検出電極と保護リングとの間にセラミックの絶縁体が配置される。

望ましくは、本発明の静電容量式圧力マイクロフォンは、圧力測定を得るために、ダイヤフラムが撓む際に静電容量において検出される変化を読み取るための機構をさらに含む。

ある好適な実施形態において、マイクロフォンは検出チャンバーと基準チャンバーとの間の連通を制限するため、通気管と組み合わされたバルブをさらに含む。

本願発明のこれらの及びその他の特徴、利点と、それが組み立てられて使用される方法は、以下に説明される幾つかの図面と共に取り上げられる本願発明の好適な実施形態の、以下に続く実現させるための記述から、通常の当業者に対してより容易に明らかになるであろう。

本願発明が関連する当業者が、必要以上の実験なしに本願発明の静電容量式圧力センサを、如何にして作り使用するかを容易に理解するように、それに関する好適な実施形態が、一定の図面を参照して以下に詳細に説明されるであろう。

本願発明の好適な実施形態に従って構成された静電容量式圧力センサの斜視図である。 説明を容易にするため分離された部品を伴う、図１の静電容量式圧力センサの斜視図である。 図１及び図２の静電容量式圧力センサの断面図である。 本発明の好適な実施形態に従って構成された静電容量式マイクロフォンの断面図である。 圧力基準チャンバーと圧力ポートとの間に延びる通気管と組み合わされたバルブをマイクロフォンが含む、本発明の静電容量式マイクロフォンのさらなる実施形態の断面図である。 圧力基準チャンバーと圧力ポートとの間に延びる通気路をマイクロフォンが含む、本発明の静電容量式マイクロフォンのさらなる実施形態の断面図である。 動圧及び静圧測定の双方用のＭＣ９００モジュール式電子装置に基づく、静電容量式遠隔読み取りシステムの図式である。 静圧測定用のＡＤ７７４７静電容量−デジタル変換器チップに基づく、静電容量式遠隔読み取りシステムの図式である。 本願発明の好適な実施形態用の、センサ出力対圧力（０．１０３ＭＰａ〜４．１３７ＭＰａ（１５ｐｓｉ〜６００ｐｓｉ））及び温度（−５５℃〜５００℃）を示すグラフである。 本願発明の好適な実施形態用の、センサ出力対圧力（０．１０３ＭＰａ〜１．７２４ＭＰａ（１５ｐｓｉ〜２５０ｐｓｉ））及び温度（１９℃〜７５０℃）を示すグラフである。 センサ出力対音圧の高さ（２３℃における、波高値０．８６２ｋＰａ（０．１２５ｐｓｉ）〜波高値１０．３４２ｋＰａ（１．５ｐｓｉ））を示すグラフである。 センサ出力対音圧の高さ（５００℃における、波高値０．８６２ｋＰａ（０．１２５ｐｓｉ）〜波高値１０．３４２ｋＰａ（１．５ｐｓｉ））を示すグラフである。 センサ出力対音圧の高さ（７００℃における、波高値０．８６２ｋＰａ（０．１２５ｐｓｉ）〜波高値１０．３４２ｋＰａ（１．５ｐｓｉ））を示すグラフである。

ここで、類似の参照番号が、本願発明の静電容量式センサの類似した構造的特徴又は態様を識別する図面を参照すると、図１において、本願発明の好適な実施形態に従って構成され、全体的に参照番号１０により設計された静電容量式プローブ又は圧力センサが例示されている。圧力センサ１０は、ガスタービン・エンジンで用いるような、高温での用途のために適合し構成されている。

図１〜図３を参照すると、圧力センサ１０は取付セクション３０、ダイヤフラム・セクション４０、及び電極支持セクション５０を有するハウジング組立品２０を含む。電極支持セクションは、電極組立品６０を収容するように適合し構成されている。

ハウジング組立品２０の取付セクション３０は、その一端３４と組み合わされる一連のねじ３２を含む。ねじ３２は、測定されるべき圧力源にセンサ１０を接続するために使用され得る。例えば、ねじ３２はそのセンサ１０を燃焼器のハウジングに接続するために使用され得る。当業者は、センサを圧力源に接続するための別の機構が、本発明の範囲から逸脱することなく採用され得ることを容易に理解するであろう。

図３に示すように、取付セクション３０はその全長にわたり延びる圧力ポート３６を画定する。取付セクション３０の圧力ポート３６は、ダイヤフラム・セクション４０内に形成された検出チャンバー４２の中で終端となっている。ダイヤフラム・セクション４０は、検出チャンバー４２に隣接して位置するフレキシブルなダイヤフラム４４を含む。ダイヤフラム４４は以下においてより詳細に議論される。

再び図３を参照すると、電極組立品６０が電極支持セクション５０の中へ挿入されるとき、基準チャンバー５２が電極６２の端部６４とダイヤフラム４４との間に形成される。電極組立品６０は、ハウジング２０の電極支持セクション５０の内径に形成された一連のねじ５４と噛み合うために適合し構成されている、その外周に形成された一連のねじ６３を有する。一方の電極組立品は電極支持セクションにねじ込まれ、２つの部分は基準チャンバー５２のシーリングを改善するため、示されているように一緒に溶接され得る。

ここに開示されている実施形態において、ハウジング組立品２０の３つの構成部品は同じ合金で作られ、ユニット構造へと一緒に溶接されている。このユニットは非常に良好な気密シールを有し、圧力漏れ速度は室温において１０^-10大気圧ｃｃ／秒未満である。しかしながら、当業者は本願発明の精神と範囲に対して逸脱することなく、センサのハウジング組立品２０を作り上げるために、任意の数の部品が使用され得ることを容易に理解するであろう。例えば、図３はハウジング組立品２０のダイヤフラム・セクション４０が単一の部品から作られていることを例示するが、フレキシブル・ダイヤフラム４４は、円筒形の本体部分へと後で溶接される別のピースとして形成され得ることが想定される。

図３を参照し続けると、図３は基準チャンバー５２が、可撓性ダイヤフラム４４により検出チャンバー４２からシールされ、分離されていることを例示する。基準チャンバー５２は、１．３３３ＭＰａ（１０ｍＴｏｒｒ）未満の圧力に対して真空にシールされる。ダイヤフラム４４は高温において高い熱的強度、熱的安定性、及び耐酸化性を示す材料から構成される。検出チャンバー４２内に加えられる圧力に応じたダイヤフラム４４の撓みは、検出電極６２により検出される静電容量値に対応する。例えば、以下で議論されるように、図７及び図８に示すように、圧力測定を得るために、ダイヤフラム４４の撓みに際して、検出された静電容量の変化を遠隔で読取るシステムが備えられることが望ましい。

本願発明の好適な実施形態に従って、可撓性ダイヤフラム４４は、約７５０℃を超える温度において高い熱的強度、熱的安定性、及び耐酸化性を示す材料から構成される。望ましくは、可撓性ダイヤフラムは、約１０００℃までの温度において高い熱的強度、熱的安定性、及び耐酸化性を示す材料から構成されることが望ましい。本願発明の好適な実施形態において、可撓性ダイヤフラムはヘインズ２３０アロイから構成される。さらに、ある好適な構造において、ダイヤフラムの厚さは約０．４５７ｍｍ（０．０１８インチ）である。この厚さは、約４．１３７ＭＰａ（６００ｐｓｉ）の入力範囲を有する静圧センサに対して好適である。ダイヤフラムの厚さはセンサに対する圧力範囲に応じて変えられる。例えば、６８．９４８ｋＰａ（１０ｐｓｉ）の圧力の入力を有するセンサに対し、約０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）の厚さを有するダイヤフラムが使用され得る。

図３に最もよく示されるように、基準チャンバー５２内で検出電極６２とダイヤフラム４４との間に隙間「Ｇ」が備えられている。隙間はおよそ６７μｍ〜１００μｍである。その隙間距離は一定の静電容量値の範囲、例えば０．９３ｐＦ〜０．６３ｐＦに対応する。

検出電極６２はアースに対する信号線の寄生容量からシールドされる。特に、検出電極６２はアースに対する信号線の寄生容量から保護リング６６によりシールドされている。望ましくは、保護リング６６は信号線を通る電位に等しい電位によって駆動される。例えば、インバータ・バッファ回路が使用され得る。さらに、セラミック絶縁体６８が検出電極６２と保護リング６６との間に配置されている。別のセラミック絶縁体６９が保護リング６６を囲み、ステンレス鋼のシールド７２が絶縁体６９を囲んでいる。

ヘインズ・アロイ２３０は優れた高温での強度、耐酸化性、及び長期間の熱的安定性を有する。これらの理由で、それはしばしば航空宇宙、化学処理、及び高温加熱の用途に用いられる。ヘインズ・アロイ２３０の熱的特性は、その利点を示すため、産業用途において機械的ダイヤフラム用の材料として一般的に使用されるインコネル７５０の熱的特性と容易に比較され得る。ヘインズ２３０とインコネル７５０の双方に関する、弾性係数及び熱膨張係数対温度の比較は、表１．０及び表２．０に要約されている。

表１．０に示すように、ヘインズ２３０アロイの弾性係数が２６．７℃から１０００℃まで熱くなるときに、約２９％低下する一方で、インコネル７５０の弾性係数の値はそれが２６．７℃から８１６℃まで熱くなるときに、約４０％低下する。これはヘインズ２３０が、インコネル７５０よりもはるかに優れた熱的強度を有することを意味する。表２．０において、２６．７℃〜９３℃の温度範囲と２６．７℃〜８７１℃の温度範囲との間の、インコネル７５０に関する熱膨張係数の差はおよそ２５．３％である。それに比べて、ヘインズ２３０に関しては、２５℃〜１００℃の温度範囲と２５℃〜１０００℃の温度範囲との間の熱膨張係数の差はおよそ２１．１％である。このデータは、ヘインズ２３０アロイがインコネル７５０よりも優れた熱的強度及び熱的安定性を示すことを証明する。

本願発明によれば、ヘインズ２３０アロイに基づく静電容量式圧力センサは、極端な温度に対して高度に耐性があるばかりでなく、約８００℃までの温度において高い精度と高い安定性を保つ。

センサ１０を用いて比較的小さな静電容量の変動が正確に測定され、例えば長さ３ｍの３軸ケーブルを通じて、離れた読み取り電子回路に伝送されることができる。上述のように、アースに対する信号線の寄生容量を取り除くため、保護リング６６が信号線を通っている電位と同じ電位により駆動される。従って、信号線と保護リング６６との間には交流電流が存在せず、それら２つの間の如何なる静電容量も信号線を通る電荷の移動に影響しない。これは、保護リング６６と信号線との間の静電容量が、出力に対して何ら寄与しないことを意味する。

図７を参照すると、フランスのフォガール・ナノテク（Fogale nanotech）社により製作された、ＭＣ９００モジュール式電子装置に基づく静電容量式遠隔読み取りシステム４０の図式が示されている。該システムの熱ドリフトは０．００２％／℃であり、帯域幅はおよそ１０ｋＨｚである。読み取りシステム４０は、動圧及び静圧測定の双方に適している。

図８を参照すると、アナログ・デバイス（Analogu Devices）社により製作された、ＡＤ７７４７と称される静電容量−デジタル変換器ＡＳＩＣチップに基づく、別の静電容量式読み取りシステム５０の図式が示されている。ＡＤ７７４７チップの分解能は２０ａＦ（１０^-18Ｆ）まであり、それは４〜１０ｆＦ（１０^-15Ｆ）の範囲における精度を有する。フルスケールの（変化する）静電容量の範囲は±８ｐＦである。チップの更新レートは５Ｈｚ〜４５Ｈｚである。しかしながら、それは静的及び低周波の圧力測定のみに適している。

本願発明の静電容量式圧力センサは、温度サイクル試験の間にわたり、十分に特性化されて来ている。試験の温度プロフィールは以下の通りであり、そこで各温度ポイントに対する時間は約４５分間に及んだ：２５℃→２００℃→３５０℃→５００℃→３５０℃→２００℃→２５℃→−５５℃→２５℃。各温度ポイントにおいて測定された、以下を含む１３の圧力ポイントがあった：０．１０３ＭＰａ（１５ｐｓｉ）→０．６８９ＭＰａ（１００ｐｓｉ）→１．３７９ＭＰａ（２００ｐｓｉ）→２．０６８ＭＰａ（３００ｐｓｉ）→２．７６０ＭＰａ（４００ｐｓｉ）→３．４４７ＭＰａ（５００ｐｓｉ）→４．１３７ＭＰａ（６００ｐｓｉ）→３．４４７ＭＰａ（５００ｐｓｉ）→２．７６０ＭＰａ（４００ｐｓｉ）→２．０６８ＭＰａ（３００ｐｓｉ）→１．３７９ＭＰａ（２００ｐｓｉ）→０．６８９ＭＰａ（１００ｐｓｉ）→０．１０３ＭＰａ（１５ｐｓｉ）。

典型的なセンサ出力対圧力（０．１０３ＭＰａ〜４．１３７ＭＰａ（１５ｐｓｉ〜６００ｐｓｉ））及び温度（−５５℃〜５００℃）が、グラフを用いて図９に示されている。出力は全体の温度範囲及び圧力範囲にわたり、比較的線形である。温度のヒステリシスはおよそ０．３６７％Ｆ．Ｓ．（フルスケール）で、圧力のヒステリシスはおよそ０．４６％Ｆ．Ｓ．（フルスケール）である。−５５℃〜５００℃にわたる性能データは以下で表３．０に要約されている。

現在の温度サイクル・オーブンの最高温度が約５００℃であるため、温度が５００℃を超えるべき場合には異なる炉が使用された。最高温度の可能性を試験するため、本願発明のヘインズ２３０に基づく静電容量式圧力センサは、より高温であるがより制御しにくい炉内で試験された。従って、５００℃〜７５０℃の性能データは手動のデータ記録手順に基づいて粗く特性化されている。

この炉内の温度プロフィールは以下の通りであり、そこで各温度ポイントに対する時間は約４５分間に及んだ：５００℃→６００℃→７００℃→７５０℃→７００℃→６００℃→５００℃→室温〜１９℃。各温度ポイントにおいて測定された１１の圧力ポイントがあり、それらは次の通りであった：０．１０３ＭＰａ（１５ｐｓｉ）→０．３４５ＭＰａ（５０ｐｓｉ）→０．６８９ＭＰａ（１００ｐｓｉ）→１．０３４ＭＰａ（１５０ｐｓｉ）→１．３７９ＭＰａ（２００ｐｓｉ）→１．７２４ＭＰａ（２５０ｐｓｉ）→１．３７９ＭＰａ（２００ｐｓｉ）→１．０３４ＭＰａ（１５０ｐｓｉ）→０．６８９ＭＰａ（１００ｐｓｉ）→０．３４５ＭＰａ（５０ｐｓｉ）→０．１０３ＭＰａ（１５ｐｓｉ）。

センサ出力対圧力（０．１０３ＭＰａ〜１．７２４ＭＰａ（１５ｐｓｉ〜２５０ｐｓｉ））及び温度（１９℃〜７５０℃）の結果がグラフを用いて図１０に示されている。センサの出力は依然として線形である。しかしながら、比較的大きなヒステリシスが存在する。温度のヒステリシスは約１．２５％Ｆ．Ｓ．（フルスケール）であり、圧力のヒステリシスは約２．１％Ｆ．Ｓ．（フルスケール）である。センサは７５０℃における４８時間の連続試験後に依然として機能していた。

インコネル７５０に基づく圧力センサとヘインズ２３０に基づく圧力センサとの間の性能比較が、以下で表４．０に記述されている。双方のセンサは同じ温度サイクル・プロフィールを経た。示されるように、ヘインズ２３０に基づくセンサは、インコネル７５０に基づく圧力センサよりも優れた性能を有する。その上、インコネル７５０の動的弾性係数は、より高温において余りに大きく減少するため、７５０℃までの温度に関する、インコネル７５０に基づくセンサについてのデータは存在しない。

要約して言えば、ヘインズ２３０アロイで作られた静電容量式圧力センサは、−５５℃〜５００℃及び２１℃〜７５０℃の温度範囲にわたる２つの異なる炉内で作られ、完全に特性化されている。圧力に対する静電容量の変化は長さ３ｍの３軸ケーブルを通じて遠隔読み取りシステムで測定されている。精度は何らの温度補償なしで−５５℃〜５００℃の温度範囲にわたって０．５％よりも良く、２０℃〜７５０℃の温度範囲にわたって約２．１％である。センサは７５０℃における４８時間の試験後に依然として機能していた。それは従ってガスタービンのエンジン制御用途に適する。

ここで、図４を参照すると、本願発明の好適な実施形態に従って構成され、全体的に参照番号１００により設計された、静電容量式圧力プローブ又はマイクロフォンが例示されている。マイクロフォン１００はガスタービン・エンジンにおける使用などの、高温での用途のために適合し構成されている。

センサ１０のように、マイクロフォン１００は取付セクション１３０、ダイヤフラム・セクション１４０、及び電極支持セクション１５０を有するハウジング組立品１２０を含む。電極支持セクション１５０は、電極組立品１６０を収容するように適合し構成されている。

ハウジング組立品１２０の取付セクション１３０は、端部１３４と組み合わされる一連のねじ１３２を含む。ねじ１３２は、測定されるべき圧力源にマイクロフォン１００を接続するために使用され得る。例えば、ねじ１３２はそのマイクロフォン１００を燃焼器のハウジングに接続するために使用され得る。

取付セクション１３０はその全長にわたって延びる圧力ポート１３６を画定する。取付セクション１３０の圧力ポート１３６は、ダイヤフラム・セクション１４０内に形成された検出チャンバー１４２の中で終端となっている。ダイヤフラム・セクション１４０は、検出チャンバー１４２に隣接して位置するフレキシブルなダイヤフラム１４４を含む。ダイヤフラム１４４は以下においてより詳細に議論されるであろう。

電極組立品１６０が電極支持セクション１５０の中へ挿入されるとき、基準チャンバー１５２が電極１６２の端部１６４とダイヤフラム１４４との間に形成される。

センサ１０に関して前述したように、ハウジング組立品１２０の構成部品は同じ合金で作られ、ユニット構造へと一緒に溶接されている。このユニットは非常に良好な気密シールを有し、圧力漏れ速度は室温において１０^-10大気圧ｃｃ／秒未満である。しかしながら、当業者は本発明の精神と範囲に対して逸脱することなく、センサのハウジング組立品１２０を作り上げるために、任意の数の部品が使用され得ることを容易に理解するであろう。

ダイヤフラム１４４は高温において高い熱的強度、熱的安定性、及び耐酸化性を示す材料から構成される。検出チャンバー１４２内に加えられる圧力に応じたダイヤフラム１４４の撓みは、検出電極１６２により検出される静電容量の値に対応する。例えば、上記で議論されているように、図７及び図８に示すように、圧力測定を得るために、ダイヤフラム１４４の撓みに際して、検出された静電容量の変化を遠隔で読取るシステムが備えられることが望ましい。

本願発明の好適な実施形態において、可撓性ダイヤフラム１４４は約７５０℃を超える温度において、高い熱的強度、熱的安定性、及び耐酸化性を示す材料から構成される。望ましくは、可撓性ダイヤフラムは約１０００℃までの温度において、高い熱的強度、熱的安定性、及び耐酸化性を示す材料から構成される。さらに、可撓性ダイヤフラムはヘインズ２３０アロイから構成されることが望ましい。ある構造において、ダイヤフラムはおよそ８０μｍ〜１００μｍの厚さである。

基準チャンバー１５２内で検出電極１６２とダイヤフラム１４４との間に隙間「Ｇ」が備えられている。隙間は約６７μｍ〜１００μｍである。その隙間距離は一定の静電容量値の範囲、例えば０．９３ｐＦ〜０．６３ｐＦに対応する。

センサ１０と同様に、マイクロフォン１００において、検出電極１６２はアースに対する信号線の寄生容量からシールドされる。特に、検出電極１６２はアースに対する信号線の寄生容量から保護リング１６６によりシールドされている。望ましくは、保護リング１６６は信号線を通る電位に等しい電位によって駆動される。例えば、インバータ・バッファ回路が使用され得る。さらに、セラミック絶縁体１６８が検出電極１６２と保護リング１６６との間に配置されている。別のセラミック絶縁体１６９が保護リング１６６を囲み、ステンレス鋼のシールド１７２が絶縁体１６９を囲んでいる。

センサ１０と対照的に、マイクロフォン１００は検出チャンバー１４２と基準チャンバー１５２との間に延びる通気管１８０を含む。管１８０はダイヤフラム１４４の両側における圧力平衡を維持する。しかしながら、薄い管１８０はダイヤフラム１４４のもう一方の側に音響信号の遅れを加えるであろうため、ダイヤフラム１４４は依然として動圧の変化に反応するであろう。管１８０は、マイクロフォンが５．５１６ＭＰａ（８００ｐｓｉ）までの高いバックグラウンド圧力にわたって、音響信号に反応することを可能にするであろう。上述のように、好適な構造において、ダイヤフラムは約８０〜１００μｍの厚さであり、約１０．１６ｍｍ（０．４インチ）の直径を有する。底部の電極とダイヤフラムとの間の隙間は約６７μｍ〜１００μｍであり、それは０．９３ｐＦ〜０．６３ｐＦの静電容量値に対応する。

図５は参照番号２００で指定される本発明のマイクロフォンの、さらなる実施形態を例示している。マイクロフォン２００は通気管２８０がバルブ機構２９０を含むことを除き、マイクロフォン１００と構造的に類似している。バルブ機構２９０を用いて通気管２８０をブロックすることにより、基準チャンバー２５２は基準圧力で密閉されるであろう。それは図３に示すような絶対圧力センサとなる。上述の装置を用いて小さな静電容量の変化が正確に測定され、長さ３ｍのケーブルを通じて遠隔読み取り電子回路に伝送され得る。

本願発明の静電容量式マイクロフォン１００は、プレキシガラス板上に取付けられた１０１．６ｍｍ（４インチ）のミニ・サブウーファーを含む音響発生器を用いて試験された。１２．７ｍｍ（１／２インチ）パイプが共鳴装置として使用された。共鳴装置は１７０Ｈｚ〜６４０Ｈｚの周波数範囲をカバーした。圧力波の大きさは、ほぼ対数の形態で増加し、双方の周波数の例は±６．８９５ｋＰａ（１ｐｓｉ）の波を生じるために、最大システム出力の５％未満を必要とした。±１３．７９０ｋＰａ（２．０ｐｓｉ）と同じ大きさの出力は、比較的低い入力レベルで維持され、（増加する周波数に対するドライバ周波数の減少のため）出力要求は波の周波数が増大するにつれて増加した。出力圧は共鳴装置に取付けられたＰＣＢセンサに対して最初に較正された。静電容量式マイクロフォンは次に同じ位置に取付けられ、出力はＰＣＢデータに対して正常化された。静電容量式読み取りシステムは、フォガール・ナノテク社による遠隔読み取りシステムＭＣ９００モジュール式電子装置に基づいた。熱ドリフトは０．００２％／℃であり、帯域幅は１０ｋＨｚであった。ノイズは約０．５×１０^-6ｐＦ ＲＭＳ／ｓｑｒｔ（Ｈｚ）である。

図５に示すように、基準チャンバーと検出チャンバーとの間の通気管をブロックすることにより、マイクロフォンは次に、静圧センサを較正するために通常用いられる高度に正確なメンサー（Mensor）のシステムを使用して較正された。マイクロフォンの精度は次に一連の温度サイクル試験を通じて決定された。

次に、ここで、参照番号３００により指定された、本願発明になるマイクロフォンのさらなる実施形態を例示する図６を参照する。前述の実施形態のように、マイクロフォン３００は取付セクション３３０、ダイヤフラム・セクション３４０、及び電極支持セクション３５０を有するハウジング組立品３２０を含む。電極支持セクション３５０は、電極組立品３６０を収容するように適合し構成されている。

しかしながら、外側に取り付けられた通気管２８０を含むマイクロフォン２００と異なり、マイクロフォン３００は検出チャンバー３４２と基準チャンバー３５２との間に延びる、マイクロフォンのハウジング組立品３２０内に形成された通気ポート３８０を含む。通気ポート３８０はダイヤフラム３４４の両側における圧力平衡を維持する。

通気ポート３８０は、図６に示すように、３つの部分で形成され得る。半径方向の通路３３２／３５２は、ハウジング組立品３２０の取付セクション３３０及び電極支持セクション３５０内へそれぞれ穴あけされる。軸方向の通路３４６は、ダイヤフラム・セクション３４０の中へ穴あけされ、それは取付セクション及び電極支持セクションの各々の中に形成された軸方向の通路３３４／３５４と一列に並ぶ。ブロック・カバー３７０は、通気ポート３８０をマイクロフォン３００の外側からシールするために使用され得る。

当業者は、バルブが、検出チャンバーと基準チャンバーとの間の流れを制限又は除去するために、通気ポート３８０と組み合わされ得ることを容易に理解するであろう。

典型的なセンサ出力対様々な圧力波の大きさ及び温度が、図１１〜図１３に示されている。音響出力周波数は３１８Ｈｚに固定され、音圧の高さは０．８６２ｋＰａ（０．１２５ｐｓｉ）（波高値）〜１０．３４２ｋＰａ（１．５ｐｓｉ）（波高値）まで変えられ、そして温度は２３℃→５００℃→７００℃に変えられた。様々な温度におけるマイクロフォンの感度が表５．０に記載されている。その試験結果は、静電容量式マイクロフォンの出力が温度に対して敏感ではないことを示した。しかしながら、その温度範囲にわたってＤＣのバイアス偏移が存在した。バイアスは２３℃における８．６３Ｖから７００℃において８．７２Ｖに変化した。そのようなバイアス偏移は、複数の温度サイクルを通してセンサを動作させることにより低減され得る。その分解能は０．２４１ｋＰａ（０．０３５ｐｓｉ）よりも小さかった。センサは７５０℃において音圧に反応することが出来た。２つの電極板間の隙間厚さを調整することにより、マイクロフォンは８００℃に至るまで動作する。

本試験は、本願発明に従って構成された静電容量式マイクロフォンが２３℃〜８００℃の温度範囲に対して適していると結論付けた。該マイクロフォンは広い温度範囲にわたって安定であり、分解能は０．２４１ｋＰａ（０．０３５ｐｓｉ）よりも小さい。該マイクロフォン・システムの帯域幅は１０００Ｈｚよりも大きい。

本願発明が好適な実施形態に関して記述されている一方で、当業者は添付された請求項に定義されている本願発明の精神と範囲から逸脱することなく、そこに変更や修正を加え得ることが容易にわかるであろう。

１０ センサ
２０ ハウジング組立品（ハウジング）
３０ 取付セクション
３２ ねじ
３４ 取付セクションの一端
３６ 圧力ポート
４０ ダイヤフラム・セクション
４２ 検出チャンバー
４４ 可撓性ダイヤフラム、フレキシブル・ダイヤフラム
５０ 電極支持セクション
５２ 基準チャンバー
５４ ねじ
６０ 電極組立品
６２ 検出電極（電極）
６３ ねじ
６４ 電極の一端
６６ 保護リング
６８ セラミック絶縁体
６９ 別のセラミック絶縁体（絶縁体）
７２ ステンレス鋼のシールド
１００ マイクロフォン
１２０ ハウジング組立品
１３０ 取付セクション
１３２ ねじ
１３４ 取付セクションの端部
１３６ 圧力ポート
１４０ ダイヤフラム・セクション
１４２ 検出チャンバー
１４４ 可撓性ダイヤフラム、フレキシブル・ダイヤフラム
１５０ 電極支持セクション
１５２ 基準チャンバー
１６０ 電極組立品
１６２ 検出電極（電極）
１６４ 電極の一端
１６６ 保護リング
１６８ セラミック絶縁体
１６９ 別のセラミック絶縁体（絶縁体）
１７２ ステンレス鋼のシールド
１８０ 通気管
２００ マイクロフォン
２５２ 基準チャンバー
２８０ 通気管
２９０ バルブ機構
３００ マイクロフォン
３２０ ハウジング組立品
３３０ 取付セクション
３３２ 半径方向の通路
３３４ 軸方向の通路
３４０ ダイヤフラム・セクション
３４２ 検出チャンバー
３４４ ダイヤフラム
３４６ 軸方向の通路
３５０ 電極支持セクション
３５２ 基準チャンバー
３５４ 軸方向の通路
３６０ 電極組立品
３７０ ブロック・カバー
３８０ 通気ポート
Ｇ 隙間

Claims (24)

1. 圧力ポートを有する内部の検出チャンバーと、検出電極に隣接して位置する内部の基準チャンバーとを画定するセンサ・ハウジングを備え、ここで、前記基準チャンバーが、ヘインズ２３０アロイから作られた可撓性ダイヤフラムにより検出チャンバーから分離され、かつ、前記検出チャンバー内に加えられた圧力に応じた前記ダイヤフラムの撓みが、前記検出電極により検出された静電容量値の変化に対応する、静電容量式圧力センサ。
2. 前記基準チャンバー内で、隙間が前記検出電極と前記ダイヤフラムとの間に設けられ、前記隙間が約２０μｍ〜２００μｍである、請求項１に記載の静電容量式圧力センサ。
3. 前記検出電極が、アースに対する信号線の寄生容量からシールドされる、請求項１に記載の静電容量式圧力センサ。
4. 前記検出電極が、アースに対する信号線の寄生容量から保護リングによりシールドされる、請求項３に記載の静電容量式圧力センサ。
5. 前記保護リングが、前記信号線を通っている電位に等しい電位で駆動される、請求項４に記載の静電容量式圧力センサ。
6. セラミックの絶縁体が、前記検出電極と前記保護リングとの間に配置される、請求項５に記載の静電容量式圧力センサ。
7. 圧力測定を得るため、前記ダイヤフラムが撓む際に静電容量において検出される変化を読み取るための手段をさらに備える、請求項１に記載の静電容量式圧力センサ。
8. 前記基準チャンバーが、１．３３３ＭＰａ未満の圧力で真空にシールされる、請求項１に記載の静電容量式圧力センサ。
9. 前記検出チャンバーと前記基準チャンバーとの間の連通をもたらす通気管をさらに備える、請求項１に記載の静電容量式圧力センサ。
10. 前記検出チャンバーと前記基準チャンバーとの間の連通を制限するため、バルブが前記通気管と組み合わされる、請求項９に記載の静電容量式圧力センサ。
11. ａ）開口した圧力ポートを有する内部の検出チャンバーと、検出電極を収容する閉鎖された内部の基準チャンバーとを画定するセンサ・ハウジングと、
    ｂ）前記基準チャンバーを前記検出チャンバーから分離し、所定の隙間距離だけ前記検出電極から隔てられた、可撓性ダイヤフラムと、
    ｃ）前記検出チャンバーと前記基準チャンバーとの間に、それらの間の平衡した静的バックグラウンド圧力を維持するための連通をもたらし、かつ、前記検出チャンバー内の圧力変化が、前記基準チャンバー内の対応する圧力変化よりも所定の時間だけ先行するように構成され、前記時間にわたる前記検出チャンバーと前記基準チャンバーとの間の圧力差が、前記時間にわたる前記ダイヤフラムの撓みの対応する変化を生じ、前記時間にわたる前記隙間距離の対応する変化を生じ、前記時間にわたり前記検出電極により検出される静電容量値の対応する変化をもたらす通気管と、
    を備える静電容量式動圧マイクロフォン。
12. 前記可撓性ダイヤフラムが、７５０℃を超える温度において高い熱的強度、熱的安定性、及び耐酸化性を示す材料から構成される、請求項１１に記載の静電容量式圧力マイクロフォン。
13. 前記可撓性ダイヤフラムが、１１５０℃までの温度において高い熱的強度、及び熱的安定性を示す材料から構成される、請求項１１に記載の静電容量式圧力マイクロフォン。
14. 前記可撓性ダイヤフラムが、ヘインズ２３０アロイから構成される、請求項１１に記載の静電容量式圧力マイクロフォン。
15. 前記基準チャンバー内で隙間が、前記検出電極と前記ダイヤフラムとの間に備えられ、前記隙間が約６７μｍ〜１００μｍである、請求項１１に記載の静電容量式圧力マイクロフォン。
16. 前記検出電極が、アースに対する信号線の寄生容量からシールドされる、請求項１１に記載の静電容量式圧力マイクロフォン。
17. 前記検出電極が、アースに対する信号線の寄生容量から保護リングによりシールドされる、請求項１６に記載の静電容量式圧力マイクロフォン。
18. 前記保護リングが、前記信号線を通っている電位に等しい電位で駆動される、請求項１７に記載の静電容量式圧力マイクロフォン。
19. セラミックの絶縁体が、前記検出電極と前記保護リングとの間に配置される、請求項１８に記載の静電容量式圧力マイクロフォン。
20. 圧力測定を得るため、前記ダイヤフラムが撓む際に静電容量において検出される変化を読み取るための手段をさらに備える、請求項１１に記載の静電容量式圧力マイクロフォン。
21. 前記検出チャンバーと前記基準チャンバーとの間の連通を制限するため、前記通気管に組み合わされたバルブをさらに備える、請求項１１に記載の静電容量式圧力マイクロフォン。
22. ａ）取付セクション、ダイヤフラム・セクション、及び電極支持セクションを含み、前記取付セクションが、可撓性ダイヤフラムの所で終端となる前記ダイヤフラム・セクション内に形成された内部の検出チャンバーと連通する開口した圧力ポートを画定し、かつ、ここで、前記電極支持セクションが検出電極を収容し、基準チャンバーを画定し、そしてここで、前記可撓性ダイヤフラムが、前記基準チャンバーを前記検出チャンバーから分離し、かつ所定の隙間距離だけ前記検出電極から隔てられる、センサ・ハウジングと、
    ｂ）前記検出チャンバーと前記基準チャンバーとの間に、それらの間の平衡した静的バックグラウンド圧力を維持するための連通をもたらし、かつ、前記検出チャンバー内の圧力変化が、前記基準チャンバー内の対応する圧力変化よりも所定の時間だけ先行するように構成される通気管と
    を備える静電容量式動圧マイクロフォン。
23. 前記時間にわたる前記検出チャンバーと前記基準チャンバーとの間の圧力差が、前記時間にわたる前記ダイヤフラムの撓みの対応する変化を生じ、前記時間にわたる前記隙間距離の対応する変化を生じ、前記時間にわたり前記検出電極により検出される静電容量値の対応する変化をもたらす、請求項２２に記載の静電容量式圧力マイクロフォン。
24. 前記検出チャンバーと前記基準チャンバーとの間の連通を制限するため、前記通気管と組み合わされたバルブをさらに備える、請求項２２に記載の静電容量式圧力マイクロフォン。

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