JP2010523999A - チタン基超弾性合金を用いた圧力及び機械式センサ - Google Patents
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Abstract
圧力且つ機械式センサが、約８０ＧＰａ以下の弾性率（ヤング率）及び約１，０００ＭＰａ以上の引張り強さを備えるチタンとタンタルの合金で作られた検出コンポーネントを有する。高い引張り強さ及び低い弾性率と弾性率の非常に低い温度依存性が相俟った結果として、広い温度範囲にわたって高い分解能及び正確な測定値が得られる。
Description
本発明は、撓むことができるコンポーネントを備えた機械式センサ、例えば容量型圧力センサに関する。本発明は、特に、極めて小さいヤング率、極めて高い引張り強さ及び広い温度範囲にわたって安定した特性を有するチタン基合金で作られた撓むことができるコンポーネントを有するセンサに関する。
容量型圧力センサは、工業システム、宇宙空間システム及び他の制御・モニタシステムに広く用いられている。容量型圧力センサは、絶対圧力、ゲージ圧力、差圧又はこれら圧力の組み合わせを検出するよう構成されている場合がある。
容量型圧力センサは、種々の材料で製作されており、かかる材料としては、金属、ガラス、サファイア及びシリコンが挙げられる。容量型圧力センサの性能は、センサの撓むことができるコンポーネント、例えば２チャンバ容量型圧力センサの中心ダイヤフラムを形成する材料の物理的特性で決まる。これら物理的特性としては、材料の弾性率（又はヤング率）、材料の引張り強さ、弾性率及び引張り強さの温度依存性、熱膨張特性及びヒステリシス効果が挙げられる。
検出コンポーネントの撓みを利用する他の機械式センサは又、同一の材料特性により影響を受ける。広い動作範囲、低ヒステリシス、大きなＳＮ（信号対雑音）比、温度効果に関する補正量の減少及び温度ヒステリシスの安定性の向上をもたらす撓むことができる検出コンポーネントを備えた容量型圧力センサ及び他の機械式センサの改良が要望され続けている。
本発明は、ヤング率が約８０ＧＰａ以下、引張り強さが約１，０００ＭＰａ以上のチタン基合金で作られた撓むことができるコンポーネントを有する改良型センサである。チタン基超弾性合金は、例えば、チタン、ＩＶａ族元素、チタン以外のＶａ族元素及び割込み元素を含むのが良い。チタン合金は、例えば、合金群の組成Ｔｉ‐２４原子％（Ｎｂ＋Ｔａ＋Ｖ）‐（Ｚｒ，Ｈｆ）‐Ｏのものであるのが良い。
一実施形態では、センサは、容量型圧力センサであり、コンポーネントは、検出される圧力の関数として撓むダイヤフラムである。この実施形態では、チタン合金は、ほぼゼロの依存性及び約１００°Ｋ〜５００°Ｋの温度範囲にわたってほぼゼロの線熱膨張量を呈する。引張り強さが高いと、その結果として、低いヒステリシス、動作範囲の拡張、過剰圧力特性の向上が得られる。小さいヤング率の結果として、例えばステンレス鋼製のダイヤフラムを有する従来型圧力センサで達成できるＳＮ比よりも高いＳＮ比が得られる。
図１は、チタンを基材とする超弾性合金コンポーネントを有している差圧センサ１０の断面図である。圧力センサ１０は、セル半部１２，１４、中央ダイヤフラム１６、絶縁体１８，２０、電極２２，２４、絶縁管２６，２８及び絶縁ダイヤフラム３０，３２を有している。この実施形態では、中央ダイヤフラム１６及び絶縁ダイヤフラム３０，３２（及びオプションとしてセル半部１２，１４は、ヤング率が約８０ＧＰａ以下であり且つ引張り強さが約１，０００ＧＰａ以上であるチタン合金で作られている。
この実施形態では、差圧センサ１０は、容量型センサである。中央ダイヤフラム１６は、セル半部１２，１４相互間の空間を第１のチャンバ３４及び第２のチャンバ３６に分割している。絶縁管２６は、絶縁ダイヤフラム３０からセル半部１２を通って第１のチャンバ３４まで延びている。同様に、絶縁管２８は、絶縁ダイヤフラム３２から第２のチャンバ３６まで延びている。
電極２２は、絶縁体１８の内壁上に形成され、電極２４は、絶縁体２０の内壁上に形成されている。電極２２及び中央ダイヤフラム１６は、静電容量がＣ１の第１の検出キャパシタ（コンデンサ）を形成し、第２の電極２４及び中央ダイヤフラム１６は、静電容量がＣ２の第２の検出キャパシタを形成している。
チャンバ３４，３６及び絶縁管２６，２８には誘電性充填流体が充填されている。プロセス流体が圧力Ｐ１を絶縁ダイヤフラム３０に及ぼすと、この圧力は、誘電性充填流体により絶縁管２６を通ってチャンバ３４内に伝えられる。同様に、プロセス流体が圧力Ｐ２を絶縁ダイヤフラム３２に及ぼすと、圧力Ｐ２は、誘電性充填流体により絶縁管２８を通って第２のチャンバ３６内に伝えられる。
静電容量Ｃ１，Ｃ２は、及ぼされた圧力Ｐ１，Ｐ２に応答して中央ダイヤフラム１６が撓むと変化する。撓み量は、圧力Ｐ１，Ｐ２の差圧の関数である。この差圧は、静電容量Ｃ１，Ｃ２を測定することにより導き出せる。信号処理回路４０が、測定された静電容量Ｃ１，Ｃ２を、差圧を表す出力値に変換する。
差圧センサ１０は、ヤング率が非常に小さく、引張り強さが高く、線熱膨張量がほぼゼロであり、ヤング率の熱依存性がほぼゼロであるチタン基合金を利用している。ヤング率が小さい結果として、圧力センサ１０のＳＮ（信号対雑音）性能が向上する。というのは、圧力が所与であるとすれば、ヤング率が小さければ小さいほど、歪み（撓み）がそれだけ一層大きいからである。引張り強さが高い結果として、ヒステリシスが低くなり（本質的に、最大弾性限度までゼロである）、動作範囲が広がり、過剰圧力限度が高くなる。熱膨張量が少なく且つヤング率の温度依存性が低い結果として、圧力センサ１０の温度補正量が減少し、安定性が向上し、温度ヒステリシスが減少する。
チタン超弾性合金の例が、サイトウ等の米国特許第６，６０７，６９３号明細書、フルタ等の米国特許第６，９７９，３７５号明細書、クラモト等の米国特許出願公開第２００４／００５５６７５号明細書、フルタ等の米国特許出願公開第２００４／０１１５０８３号明細書及びワン（Whang）等の米国特許出願公開第２００５／００７２４９６号明細書に記載されている。これらチタンを基材とする超弾性合金は、日本国愛知県所在のトヨタ・セントラル・アール・アンド・デー・ラボラトリーズ・インコーポレイテッド（Toyota Central R&D Labs, Inc.）によって商品名GUM METAL（登録商標）と呼ばれている。これらは又、サイトウ等（Saito et al.），「マルチファンクショナル・アロイズ・オブテインド・ヴァイア・ア・ディスロケーション‐フリー・プラスチック・デフォメーション・メカニズム（Multifunctional Alloys Obtained via a Dislocation-Free Plastic Deformation Mechanism）」，サイエンス（Science），第３００巻，２００３年４月，ｐ．４６４‐４６７、ニシノ（Nishino ），「スーパー・マルチファンクショナル・アロイ“"GUM METAL”（Super Multifunctional Alloy "GUM METAL"）」，第３８巻第３号，トヨタ・セントラル・アール・アンド・デー・ラボラトリーズ・インコーポレイテッドのＲ＆Ｄレビュー（R&D Review of Toyota CRDL），２００３年及びクラモト等（Kuramoto et al.），「プラスチック・デフォメーション・イン・ア・マルチファンクショナル・チタン‐ニオブ‐タンタル‐ジルコニウム‐酸素・アロイ（Plastic Deformation in a Multifunctional Ti-Nb-Ta-Zr-O Alloy），第３７Ａ巻，メタルジカル・アンド・マテリアルズ・トランスケーションズ・エー（Metallurgical and Materials Transactions A），２００６年，ｐ．６５７に記載されている。
チタン基超弾性合金としては、チタン、ＩＶａ族元素（例えば、ジルコニウム（Ｚｒ）又はハフニウム（Ｈｆ））、チタン以外のＶａ族元素（例えば、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）又はタンタル（Ｔａ））、及び割込み元素、例えば酸素、窒素又は炭素が挙げられる。ＩＶａ族元素（Ｚｒ又はＨｆ）は、ヤング率の減少及び引張り強さの増大に寄与する。Ｖａ族元素（Ｖ，Ｎｂ及びＴａ）は、ヤング率の減少に寄与する。割込み元素（Ｏ，Ｎ又はＣ）は、引張り強さの増大に寄与する。かかる合金は、体心立方構造又は体心正方晶構造を有する。溶融法又は焼結によりチタンを基材とする超弾性合金を形成することができる。次に、この合金には冷間加工が施され、この冷間加工は、その引張り強さを著しく増大させる。小さいヤング率及び高い引張り（弾性限度）強さと高い弾性変形能力とが相俟って、合金は、良好な冷間加工特性を有することができる。
撓むことができるコンポーネントを有する機械式センサ（例えば、容量型圧力センサ１０）に関し、チタン基超弾性合金は、８０ＧＰａ以下のヤング率を有し、好ましくは、約６０〜７０ＧＰａのヤング率を有する。この合金の弾性限度引張り強さは、少なくとも約１，０００ＭＰａであり、場合によっては、１，２００ＭＰａ以上である。
サイエンス第３００巻４６４（２００３）においてサイトウ等によって報告されているように、９０％冷間加工合金に関し、線熱膨張率は、１００°Ｋ〜５００°Ｋの温度にわたり２×１０-6／°Ｋを超えることはない。かくして、冷間加工チタン基合金は、Invar合金の場合よりも広い温度範囲にわたってInvar合金とほぼ同じ線熱膨張率を示す。
サイエンス第３００巻４６４（２００３）においてサイトウ等によって報告されているように、９０％冷間加工合金に関し、線熱膨張率は、１００°Ｋ〜５００°Ｋの温度にわたり２×１０-6／°Ｋを超えることはない。かくして、冷間加工チタン基合金は、Invar合金の場合よりも広い温度範囲にわたってInvar合金とほぼ同じ線熱膨張率を示す。
また、ヤング率の温度依存性は、広い温度範囲にわたりほぼゼロである。サイトウ等によって報告されているように、冷間加工チタン基超弾性合金のヤング率は、７７°Ｋ〜５００°Ｋにおいて本質的に一定のままであった。このほぼゼロの温度依存性は、Elinvar合金と同等であるが、これよりも非常に広い温度範囲にわたって存在する。
高い引張り強さ及び小さいヤング率は、圧力センサ１０の撓み要素（中央ダイヤフラム１６）に用いられた場合、非常に高い分解能及び正確な圧力測定値をもたらす。温度特性は、１００°Ｋ〜５００°Ｋの広い範囲にわたり向上した温度安定性を提供する。
合金は耐腐食性なので、絶縁ダイヤフラム３０，３２も又、中央ダイヤフラム１６と同種の材料で作られるのが良い。チタン基超弾性合金の少ない熱膨張量により、中央ダイヤフラム１６及び絶縁ダイヤフラム３０，３２（並びに他のコンポーネント、例えばカップ１２，１４）をありふれた低い熱膨張率の半導体材料と関連して用いることができる。
チタン基超弾性合金は、３つの追加の共通の特徴を有する。第１に、これら合金は、約２．２４の組成平均平衡電子数［電子／原子（ｅａ）比］を有する。第２に、これら合金は、ＤＶ‐Ｘαクラスタ法に基づく約２．８６〜約２．９０の結合次数（Ｂｏ値）を有し、これは、結合強度を表している。第３に、これら合金は、約２．４３〜約２．４９の“Ｄ”電子軌道エネルギー準位（Ｍｄ値）を有する。基準を満たす組成物の例としては、Ｔｉ‐１２Ｔａ‐９Ｎｂ‐３Ｖ‐Ｚｒ‐Ｏ及びＴｉ‐２３Ｎｂ‐０．７Ｔａ‐２Ｚｒ‐Ｏ［モルパーセント（ｍｏｌ％）］が挙げられる。
ステンレス鋼は、工業用高精度圧力及び撓み機械式センサに最も一般的に用いられている材料である。比較すると、室温におけるチタン基超弾性合金の引張り強さは、１，２００ＧＰａであり、これは従来型ステンレス鋼の３倍である。加うるに、チタン基超弾性合金の３００°Ｋ（室温）におけるヤング率は、約６０ＧＰａであり、これは従来型ステンレス鋼の１／４倍である。極めて小さいヤング率と高い引張り強さの組み合わせと好適な熱的特性が相俟って、撓み要素について従来型ステンレス鋼を用いているセンサと比較して、相当な改良結果が得られる。
図２〜図４は、比較的小さいヤング率に起因して、チタン基超弾性合金の特性と圧力センサに用いられた２つの他の合金材料（Elgilloy 及びNiSpan）の特性を比較している。図２は、−４０℃（２３３°Ｋ）〜１００℃（３７３°Ｋ）の温度範囲にわたりElgilloy、 NiSpan及びチタン基超弾性合金についてヤング率の比較を示している。チタン基超弾性合金は、あらゆる温度において実質的に小さいヤング率を有し、温度によるヤング率のばらつきは、Elgilloy又は NiSpanのいずれよりも小さい。
図３は、温度の関数として線熱膨張量又は変位量をミリメートルの単位で示している。チタン基超弾性合金の温度係数は、約１．１６×１０-5／℃である。これを１．６３×１０-5／℃のNiSpan及び６．１７×１０-6／℃のElgilloyと比較されたい。
図４は、NiSpan及びチタン基超弾性合金の圧力ヒステリシス特性を示している。図３では、引張り応力は、％歪みの関数として示されている。図４に示されているように、NiSpanは、歪みが０％から約０．２５％に増大すると、ヒステリシスを示している。これとは対照的に、チタン基超弾性合金は、０％〜０．６％の歪みに関してヒステリシスを示してない。
図１に示されている差圧センサは、撓み検出コンポーネントとしてチタン基超弾性合金を用いた機械式センサの一例を示しているに過ぎない。例えば、チタン基超弾性合金を用いた他の容量型圧力センサは、絶対圧力又はゲージ圧力を測定するよう構成されていても良い。加うるに、差圧容量型センサは、図１に示されている構成とは異なり、並置状態に構成されたセル半部及び２つの撓みダイヤフラムを備えるよう構成されても良い。
加うるに、図１に示されている差圧センサは、線形化目的で追加のキャパシタを作るよう追加の電極を有しても良い。追加の電極の使用法は、例えば、米国特許第６，２９５，８７５号明細書に示されている。
さらに別の実施形態では、米国特許第６，８４３，１３３号明細書に記載されている形式の容量型圧力センサは、撓み検出コンポーネント（ダイヤフラム）としてチタン基超弾性合金を用いている。センサは、プロセス流体とチタン基超弾性合金のダイヤフラムの直接接触を特徴としても良く、或いは、図１に示されているセンサと同様絶縁体及び誘電性充填流体を有しても良い。
図５は、チャンバ５２、超弾性合金ダイヤフラム５４、歪み敏感性ブリッジセンサ５６、電子信号処理コンパートメント５８及び信号処理回路６０を有する圧力センサ５０を示している。プロセス圧力Ｐが検出チャンバ５２に送られ、このプロセス圧力は、圧力を超弾性合金ダイヤフラム５４に及ぼす。プロセス圧力をプロセス流体又は誘電性充填流体により直接送ることができる。流体圧力により、ダイヤフラム５４が撓み、それにより歪み敏感性ブリッジ５６に歪みが生じる。歪み敏感性ブリッジ５６は、例えば、超弾性合金ダイヤフラム５４に結合され、これに被着され又はこれに埋め込まれたシリコン圧電ブリッジであるのが良い。ブリッジ５６からの信号は、信号処理回路６０によって処理されてプロセス圧力Ｐの関数である出力が生じる。コンパートメント５８は、出力が絶対圧力を表すよう真空密封されているのが良く、或いは、信号処理回路６０からの出力がゲージ圧力を表すよう大気圧に維持されているのが良い。
図６は、検出チャンバ７２、基準チャンバ７４、超弾性合金ダイヤフラム７６、電気接点７８，８０及び信号処理回路８２を有する圧力センサ７０を示している。ダイヤフラム７６は、チャンバ７２内のプロセス流体圧力と基準チャンバ７４内の圧力の差圧に基づいて撓む。チャンバ７４内の基準圧力が真空である場合、圧力センサ７０は、絶対圧力を測定する。基準圧力が大気圧である場合、センサ７０は、ゲージ圧力を測定する。
信号処理回路８２は、接点７８，８０相互間の抵抗に基づいて測定圧力を表す出力を生じさせる。ダイヤフラム７６の抵抗は、チタン基超弾性合金の抵抗率、接点７８，８０相互間のダイヤフラム７６の長さ及びダイヤフラム７６の断面積の関数である。圧力が増大すると、ダイヤフラム７６は、接点７８，８０相互間のその距離が増大するよう撓む。他方、断面積は、それほど変化せず、抵抗率は、不変である。その結果、圧力の増大の結果として、接点７８，８０相互間の抵抗が増大する。
図１、図５及び図６に示された実施形態により示されているように、チタン基超弾性合金ダイヤフラムは、圧力の関数として撓み、その撓みを用いると、検出された静電容量、検出された歪み又は検出された抵抗の使用により圧力を表す出力を生じさせることができる。
本発明を好ましい実施形態に関して説明したが、当業者であれば、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく形態及び細部における変更を行うことができることは理解されよう。
Claims (33)
- 検出されるべきパラメータに応動する撓むことができるコンポーネントを有するセンサであって、前記コンポーネントは、ヤング率が約８０ＧＰａ以下であり且つ引張り強さが約１，０００ＭＰａ以上であるチタン基合金で作られている、センサ。
- センサ本体を更に有し、前記撓むことができるコンポーネントは、前記センサ本体に取り付けられている、請求項１記載のセンサ。
- 検出されるべき前記パラメータは、圧力であり、前記センサ本体と前記撓むことができるコンポーネントは、少なくとも１つの圧力検出センサを構成している、請求項２記載のセンサ。
- 前記センサは、容量型差圧センサから成り、前記撓むことができるコンポーネントは、第１のチャンバと第２のチャンバとの間に位置決めされた中央ダイヤフラムから成り、前記中央ダイヤフラムは、前記第１及び前記第２のチャンバ内の流体圧力の関数として撓むことができる、請求項３記載のセンサ。
- 前記第１及び前記第２のチャンバには、誘電性充填流体が充填されており、第１及び第２の絶縁ダイヤフラムが、圧力を前記第１のチャンバ及び前記第２のチャンバ内のそれぞれの前記誘電性充填流体に伝える、請求項４記載のセンサ。
- 前記第１及び前記第２の絶縁ダイヤフラムは、チタン基合金で作られている、請求項５記載のセンサ。
- 前記撓むことができるコンポーネントに取り付けられていて、前記撓むことができるコンポーネントの撓みの関数として出力を生じさせる歪み応答装置を更に有する、請求項１記載のセンサ。
- 前記撓むことができるコンポーネントの抵抗の関数として前記撓むことができるコンポーネントの撓みに基づいて変化する出力を生じさせる回路を更に有する、請求項１記載のセンサ。
- 前記チタン基合金は、チタンと、少なくとも１種類のＩＶａ族元素と、チタン以外の少なくとも１種類のＶａ族元素と、少なくとも１種類の割込み元素とを含む、請求項１記載のセンサ。
- 前記少なくとも１種類のＩＶａ族元素は、ジルコニウム及びハフニウムから成る群から選択され、前記Ｖａ族元素は、ニオブ、タンタル、及びバナジウムから成る群から選択され、前記割込み元素は、酸素、窒素、及び炭素から成る群から選択される、請求項９記載のセンサ。
- 前記チタン基合金の組成は、Ｔｉ‐２４原子％（Ｎｂ＋Ｔａ＋Ｖ）‐（Ｚｒ，Ｈｆ）‐Ｏである、請求項１０記載のセンサ。
- 前記チタン基合金は、約２．２４の組成平均平衡電子数［電子／原子（ｅａ）比］、ＤＶ‐Ｘαクラスタ法に基づく約２．８６〜約２．９０の結合次数（Ｂｏ値）、及び約２．４３〜約２．４９の“Ｄ”電子軌道エネルギー準位（Ｍｄ値）を有する、請求項１記載のセンサ。
- 圧力センサであって、
第１のチャンバと、
前記第１のチャンバに隣接して位置決めされたダイヤフラムとを有し、前記ダイヤフラムは、ヤング率が約８０ＧＰａ以下であり且つ引張り強さが約１，０００ＭＰａ以上であるチタン基合金で作られている、圧力センサ。 - 前記ダイヤフラムの撓みの関数として変化する静電容量を更に有する、請求項１３記載の圧力センサ。
- 前記ダイヤフラムに取り付けられていて、前記ダイヤフラムの撓みの関数として出力を生じさせる歪み応答装置を更に有する、請求項１３記載の圧力センサ。
- 前記ダイヤフラムに接続されていて、前記ダイヤフラムの撓みの関数として抵抗をもたらす電気接点を更に有する、請求項１３記載の圧力センサ。
- 前記チタン基合金のヤング率は、約７０ＧＰａ以下である、請求項１３記載の容量型圧力センサ。
- 前記チタン基合金のヤング率は、約６０ＧＰａである、請求項１７記載の容量型圧力センサ。
- 前記チタン基合金の引張り強さは、約１，２００ＭＰａ以上である、請求項１３記載の容量型圧力センサ。
- 前記チタン基合金は、ＩＶａ族元素及びＶａ族元素を含む、請求項１３記載の容量型圧力センサ。
- 前記チタン基合金の組成は、Ｔｉ‐２４原子％（Ｎｂ＋Ｔａ＋Ｖ）‐（Ｚｒ，Ｈｆ）‐Ｏである、請求項２０記載の容量型圧力センサ。
- 前記チタン基合金は、約２．２４の組成平均平衡電子数［電子／原子（ｅａ）比］、ＤＶ‐Ｘαクラスタ法に基づく約２．８６〜約２．９０の結合次数（Ｂｏ値）、及び約２．４３〜約２．４９の“Ｄ”電子軌道エネルギー準位（Ｍｄ値）を有する、請求項１３記載の容量型圧力センサ。
- 圧力センサであって、
センサ本体を有し、
前記センサ本体によって支持されていて、流体圧力の関数として撓むことができるダイヤフラムを有し、前記ダイヤフラムは、約８０ＧＰａ以下のヤング率及び約１，０００ＭＰａ以上の引張り強さを有し、
前記ダイヤフラムの撓みに基づいて、検出された圧力を表す出力を生じさせる手段を有する、圧力センサ。 - 出力を生じさせる前記手段は、前記ダイヤフラムの撓みの関数として変化する静電容量に応答する、請求項２３記載の圧力センサ。
- 出力を生じさせる前記手段は、前記ダイヤフラムの撓みの関数として変化する抵抗に応答する、請求項２３記載の圧力センサ。
- 出力を生じさせる前記手段は、前記ダイヤフラムの撓みの関数として変化する歪みに応答する、請求項２３記載の圧力センサ。
- 前記ダイヤフラムのヤング率は、約７０ＧＰａ以下である、請求項２３記載の圧力センサ。
- 前記ダイヤフラムのヤング率は、約６０ＧＰａである、請求項２７記載の圧力センサ。
- 前記ダイヤフラムの引張り強さは、約１，２００ＭＰａ以上である、請求項２３記載の圧力センサ。
- 前記ダイヤフラムは、チタン基合金で作られている、請求項２３記載の圧力センサ。
- 前記チタン基合金は、ＩＶａ族元素及びＶａ族元素を含む、請求項３０記載の圧力センサ。
- 前記チタン基合金の組成は、Ｔｉ‐２４原子％（Ｎｂ＋Ｔａ＋Ｖ）‐（Ｚｒ，Ｈｆ）‐Ｏである、請求項２０記載の圧力センサ。
- 前記チタン基合金は、約２．２４の組成平均平衡電子数［電子／原子（ｅａ）比］、ＤＶ‐Ｘαクラスタ法に基づく約２．８６〜約２．９０の結合次数（Ｂｏ値）、及び約２．４３〜約２．４９の“Ｄ”電子軌道エネルギー準位（Ｍｄ値）を有する、請求項３０記載の圧力センサ。
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