JP2011519042A - 圧力センサー - Google Patents

Abstract

本発明は柔軟な薄膜を用いる圧力センサー（６）に関する。この圧力センサー（６）は、薄膜（１１）の変形に基づいて加えられた圧力値を示すことを可能とする伝達装置（１０）と協働する薄膜（１１）を有する。この薄膜（１１）は、センサー（６）の寸法を最適化できるように、少なくとも部分的にアモルファス合金で製造される。

Description

本発明は、柔軟な薄膜を用いる圧力センサーに関する。この薄膜は、供給される圧力を表す値を薄膜の変形に基づいて示すことができる伝達装置と協働する。

潜水時計が、薄膜と伝達装置とからなる圧力センサーを支持するケースを備えていることは従来から知られている。この薄膜は、外部圧力が作用することにより機械的に変形して、伝達装置を作動させる。この伝達装置は、圧力を示すこのような変形移動を伝達し、例えば、増幅してセンサーにより検出された圧力値が表示されるようにする。

一般的に、この種のセンサーの薄膜は、例えば、銅とベリリウム（Ｃｕ-Ｂｅ）から成る合金のような結晶材料から製造される。

全ての材料は、弾性係数（一般にＧＰａで表される）とも呼ばれ、変形に対する材料の抵抗を表すヤング率Ｅによって特徴づけられる。さらに、全ての材料は又、弾性限界σ_e（一般にＧＰａで表される）によって特徴づけられ、この弾性限界は、それを超えるとその材料が塑性変形してしまう応力を表す。従って、ある与えられた厚さのもとで、各々の材料について、そのヤング率に対する弾性限界の比率σ_e／Ｅ を求めることにより、この比率により、各々の材料の弾性的な変形度を表して、それぞれの材料を比較することが可能になる。すなわち、この比率が高ければ、材料の弾性変形度も大きいものとされる。従来使われている結晶材料、例えばＣｕ-Ｂｅ合金は、ヤング率Ｅが１３０ＧＰａで、弾性限界σ_e は代表的な場合で１ＧＰａであり、低い比率σ_e／Ｅ、 すなわち、０．００７程度のものとなる。それ故、これらの結晶合金製の薄膜では、弾性変形度が限られている。このことは、圧力センサーを薄膜に利用する場合には、測定範囲が限られることを意味する。

更に、弾性限界が低いために、薄膜が変形するときに、低い応力のもとで塑性変形領域の近傍まで変形することになり、その最初の形態まで回復出来ない恐れがある。このような変形を避けるために、薄膜の変形が抑制され、即ち薄膜変形の振幅が意図的に抑制されることになる。従って、伝達される変位が増幅されなければならないことが分かる。このことは、圧力センサーと更には圧力値の表示装置に、有害なノイズをもたらすことになる。

加えて、貴金属結晶体は、その機械的特性が不十分であることを考慮すると、圧力センサーの薄膜その他の時計用の能動素子のような製品に、これらの材料を使用することは考えられない。実際、特にこれらの貴金属は、弾性限界値が低く、金、プラチナ、パラジウム及び銀合金では、従来、圧力薄膜の製造に使用されていた伝統的な結晶合金が、約１ＧＰａであるのとは対照的に、０．５ＧＰａ程度である。これらの貴金属の弾性率は、約１２０ＧＰａであり、この場合には、σ_e／Ｅ 比は約０．００４となる。しかし、圧力薄膜の製造をするには、上記したように、高いσ_e／Ｅ 比が必要になる。

従って、これらの貴金属を薄膜製造に使用するように当業者を指向させるものはなかった。

本発明は、最大応力に関して安全な幅を持ちながら、より大きな変形振幅を可能とし、より信頼性ある薄膜を提供することにより、上述した従来技術の欠点を解消する圧力センサーに関する。また、本発明は、より小さい寸法で、同等の変形振幅が可能になる薄膜を提案する。

このようなことを基礎として、本発明は、特に薄膜が、センサーの寸法を最適化するように、少なくとも部分的にアモルファス合金で製造されている、上述した圧力センサーにおいて、この金属合金が、金、プラチナ、パラジウム、レニウム、ルチニウム、ロジウム、銀、イリジウム又はオスニウムを包含するリストに含まれた、少なくとも１つの貴金属元素又は、これらの合金の１つからなることを特徴とする。

このセンサーの有利な実施形態は、従属請求項２から８に記載される。

驚くべきことに、アモルファス状態の貴金属は、高いσ_e／Ｅ 比を有し、本発明による薄膜のような部品の製造を可能にする。

本発明による薄膜の第１の利点は、この薄膜が大きな利益をもたらす弾性特性を有することである。実際に、アモルファス材料では、弾性限界σ_e の増加により、σ_e／Ｅ 比率が増大する。これによって、材料がある応力以上で初期状態に回復しなくなる応力の限界が増加する。この比率σ_e／Ｅ の改良によって、より大きな変形が可能となる。このために、薄膜による測定範囲を増加させるか、又は測定範囲を同等にすると、薄膜の大きさを小さくすることにより、薄膜寸法の最適化が可能となる。

更に、このアモルファス材料の利点は、この材料が、複雑な形状をより正確に製造できる部品設計を可能とする、成形についての新しい可能性を開くことである。実際に、アモルファス金属は、各合金に固有の特定の温度範囲（Ｔｘ−Ｔｇ）（Ｔｘは結晶化温度、Ｔｇはガラス転移温度）において、アモルファス状態に留まりながら軟化するという特殊な特性を有する。従って、通常の温度のもとで、比較的低い応力により、それらを形成することが可能となる。この特性では、合金の粘度が著しく減少し、合金が型の全ての細部に入るようになるために、精密な形状を非常に正確に再生することが可能となる。

更に本発明は、上記説明に一致した薄膜を有する圧力センサーを有することを特徴とする時計に関する。この時計の有利な形態は、従属請求項１０の主題である。

本発明による時計の目的、利点及び特徴が、非限定的な実例として添付図面により示される、本発明の少なくとも１つの実施形態の詳細な説明によって、以下に一層明確にされる。
本発明による薄膜を有する時計の概略断面図である。 外部圧力を受けた時の本発明による薄膜を有する時計の概略断面図である。 本発明による薄膜の好ましい形態を示す概略図である。 前記好ましい形態の薄膜を有する時計の概略図である。 液晶材料とアモルファス材料の変形曲線を示す。

図１及び図２は、下部構造２を有する潜水時計１の断面図を示しており、該下部構造には、時計１のガラス４を保持する溝縁材３が固定される。また下部構造２に取付けられた表示ユニット５は、ガラス４の下方に配置される。

時計１は、中間部材８に強固に取付けられたベース７によって閉じられ、この中間部材自体は、下部構造２に強固に固定されて、ケースが形成される。該時計はまた、圧力センサー６を有し、該圧力センサー６は、好ましくはケース２１内部に配置される。

圧力センサー６は、伝達装置１０及び薄膜１１から構成され、薄膜１１は、密閉空洞部９を構成するよう取付けられる。薄膜１１は、時計１のケース２１内に配置され、その周辺部により支持部１２に取付けられる。この構成により、薄膜１１の好ましい変形が確保される。この実施形態では、支持部１２は中間部材８に固定される。薄膜１１が、外部環境に触れるのを確実にするために、ケース２１のベース７には、複数の孔１３が設けられる。これらの孔１３は、図２に示されるように、圧力が薄膜１１のどちら側で変化しても、薄膜１１の変形を可能にする。

更に、ケース２１のベース７には、取外し可能なカバー１４が嵌合しており、このカバー１４は、圧力測定が必要ない場合に、クリップにより適切な位置に固定して、孔１３を塞ぐことができる。このようにして、圧力センサー６の保護部が構成される。

圧力センサー６を作動させるために、伝達装置１０が薄膜１１に組み合わせて使用される。すなわち、密閉空洞部９と外部環境との間の圧力差の影響で、薄膜１１は、大きく又は小さく変形する。実際に、外部圧力が密封空洞部９内の圧力より高ければ、薄膜１１は、図２から分かるように、空洞部９の容積を圧縮するように変形する。

薄膜１１のこの変形は、伝達装置１０に作用し、伝達装置は、薄膜１１が初期位置に対して変位した位置を検出する。初期位置は、好ましくは薄膜１１の両側の圧力が等しい状態にあるときの位置である。変化が検出されると、伝達装置１０は、例えば機械的変位により、薄膜１１の変形を伝達する。

伝達装置１０による伝達圧力が表すこの変位は、次いで、場合によっては増幅し、続いて表示装置５によって利用される。この表示装置は、変形を示す変位量を変換する手段により、圧力が深さの測定値に変換される。この表示装置５は、このように圧力センサー６により測定された深さを表示するが、勿論圧力は、圧電型変換器などの他の手段によって検出されるように構成してもよい。更に、高度計又は天気予報用途など、圧力測定を利用する他の用途にも利用することができる。

センサー６の要素は、薄膜１１の変位についての所望の測定範囲を定めるために、所定の負荷仕様を使用して校正される。所望の測定範囲は、例えば深さ１００メートルのように、検出して表示したい最大圧力値を表わす。薄膜１１の変位は、その薄膜により可能な最大変形量を定める。このように薄膜１１の特性は、これらの２つの値を基にして決定される。この薄膜は、その寸法（本実施形態による円形薄膜１１では、直径と厚み）及び薄膜の製造材料とによって特徴づけられる。

本発明において、薄膜１１はアモルファス材料、又は部分的にアモルファス材料からなることが、利点をもたらす。特に、金属ガラス、即ちアモルファス金属合金が、薄膜１１の形成に使われる。

実際に、これらアモルファス金属合金の変形に関する有利性は、これらの製造時の事実から来るものであり、このアモルファス金属を形成する原子は、結晶材料の場合のように、特定の構造に配列されていない。このために、結晶材料とアモルファス材料のヤング率が同じであっても、弾性限界σ_e は異なるものとなる。実際に、アモルファス材料は、図５に示されるように、結晶材料の弾性限界よりも、実質的に２倍も高い弾性限界σ_eaを有するという違いがある。この図は、アモルファス材料（破線で示される）と結晶材料の変形εを関数とした応力σ曲線を示す。この曲線は、アモルファス材料が、弾性限界σ_e に到達するまでに、より大きな応力を作用させることが出来ることを示す。

最後に、アモルファス材料から製造される薄膜１１は、結晶材料から製造される薄膜１１と比較して、圧力センサー６の信頼性を改良することができる。事実、弾性限界σ_eaがより高いので、塑性領域がより離れており、薄膜の塑性変形の危険性を低減させることを意味する。

更に、より大きい応力に弾性的に耐えるこの能力は、より広範な測定範囲の想定を可能にする。

更に、有利なことに、アモルファス材料から製造される薄膜１１では、同じ応力が中心部に加えられる条件のもとでは、同等の変形を可能にするのに、その寸法を最適化できることが分かる。実際に、薄膜１１の寸法は、その変形量を修正する。その直径が大きくなると、薄膜１１の理論的な変形量も大きくなる。更に厚みが増えると、薄膜１１の理論的な変形量は少なくなる。有利なことに、弾性限界が増加した場合、塑性変形させることなく薄膜１１に作用させることができる応力も、また増加する。従って、その直径と厚みを減少させることにより、同じ変位振幅を維持することが可能である。

材料自体に関しては、高いσ_e／Ｅ 比であれば、より有効なセンサーになることが、先ず認識される。有利なものとしては、σ_e／Ｅ 比が０．０１以上である材料が、圧力センサー用薄膜１１の変形材料として最も適切である。σ_e／Ｅ 比は別としても、ヤング率Ｅの値をある特定の限界値より大きく選ぶことによって、圧力センサーを、許容可能な容積内に収容できるようにすることが挙げられる。この好ましい限界値は、５０ＧＰａである。

また、幾つかの特性も考慮することができる。耐食性及び非磁性の特性は、潜水時計にとって特に関係があると考えられる。使用可能なアモルファス材料の例を、以下に示す。すなわち、例として、Ｚｒ４１Ｔｉ１４Ｃｕ１２Ｎｉ１０Ｂｅ２３では、ヤング率Ｅが１０５ＧＰａ、弾性限界σ_e が１．９ＧＰａで、σ_e／Ｅ 比は０．０１８であり、またＰｔ５７．５Ｃｕ１４．７Ｎｉ５．３Ｐ２２．３では、ヤング率Ｅが９８ＧＰａ、弾性限界σ_e が１．４ＧＰａで、σ_e／Ｅ 比は０．０１４である。

一般的には、合金のアレルギー要因状態のような、関係のある他の特性がある。事実、結晶材料又はアモルファス材料のいずれであっても、アレルギー原因元素を含む合金が使用されることが多い。このような合金は、例えばコバルト、ベリリウム、又はニッケルである。従って、本発明による薄膜１１の変形例は、これらのアレルギー原因元素を含まない合金により構成することができる。またアレルギー原因元素を含んでいても、アレルギー反応を生じないように構成することもできる。このためには、薄膜１１に錆が発生した時に、これらアレルギー原因元素を含む薄膜１１が、この元素を放出しないようにすることができる。

本発明の他の変形例によれば、薄膜１１は、貴金属で製造することができる。実際に、金又はプラチナなどの貴金属は、結晶状態では、柔軟で丈夫な薄膜１１を形成するには柔らか過ぎる。しかし、これらの材料が、金属ガラス状態、即ちアモルファス状態になれば、これらの貴金属は、圧力センサー用の薄膜１１を製造可能な特性を有し、また華麗で美的な良い外観を与えることができる。プラチナ８５０（Ｐｔ８５０）及び金７５０（Ａｕ７５０）は、この薄膜１１の製造に使われる、特に好適な貴金属材料である。当然ながら、パラジウム、レニウム、ルチニウム、ロジウム、銀、イリジウム又はオスニウムなど、他の貴金属も使用することができる。

アモルファス金属合金は、容易に成形できることも、また指摘することができる。実際に、アモルファス金属は、各合金に固有の一定の温度範囲（Ｔｘ−Ｔｇ）において、アモルファス状態を維持しながら軟化する、という特殊な特性を有する。従って、通常の温度のもとで、かつ比較的低応力で、これら合金の成形が可能になる。

本発明の方法は、アモルファスのプリフォームを熱形成することからなる。このプリフォームは、炉内でアモルファス合金を構成する金属元素を溶融することで得られる。この溶融は、合金が酸素により汚染されるのが出来る限り低く抑制されるように制御される。これらの元素が溶融すると、半完成形状に、即ち薄膜１１に近い寸法の円板に鋳型され、続いてアモルファス状態を維持させるために急速冷却される。プリフォームが完成すると、熱成型が行われ最終部品が得られる。この熱成型では、Ｔｘ−Ｔｇ間の温度範囲で所定時間の間、全体的又は部分的にアモルファス構造を維持した状態で、加圧が実施される。この工程は、アモルファス金属材料の特徴的な弾性特性が維持されるように実施される。薄膜１１を最終成形する種々の工程をまとめると、以下のとおりである。

ａ）薄膜１１形状とは反対の形状を有するマトリクスを所定温度まで加熱する。
ｂ）加熱されたマトリクス間にアモルファス金属円板を挿入する。
ｃ）アモルファス金属円板にこれら形状の複製を作るため、マトリクスに閉じ方向の力を加える。
ｄ）所定の最大期間の間、そのままに置く。
ｅ）マトリクスを開く。
ｆ）薄膜１１を温度Ｔｇ以下に急速に冷却する。
ｇ）マトリクスから薄膜１１を取出す。

この形成方法では、合金粘度が著しく減少し、合金が金型の細部全てに入るようになるために、精密形状を非常に正確に再生可能である。この方法の利点は、固化による収縮がないことであり、これによって射出成形法より低温で、より精密な部品製造が可能となる。

当然であるが、射出成形法のような他の成型方法の使用が可能である。この方法は、金属元素を溶融させて得られる合金を、結晶状態又はアモルファス状態のいずれであっても、炉内で、どのような形状にでも、例えば棒にでも成形することができる。この合金部品は、どのような形状であっても、再び溶融され、最終部品形状を有する型に注入される。型が充填されると、合金結晶化するのを回避するためＴｇ温度以下に急速冷却され、アモルファス又は半アモルファス状態で製造された薄膜１１を得ることができる。

このように必要とされる形状に応じて、薄膜１１を形成することが可能になる。例えば、同様な手法で、その厚み及び直径により特性を変更するように、薄膜１１の輪郭形状を形成することも可能である。例を挙げると、図３及び図４に示されるように、正弦波状輪郭形状を得るように、薄膜１１を成形することができる。この形状は、薄膜１１の表面及びその剛性を増加させる。このために、薄膜１１は変形しにくくなる。この部分の構成はまた、材料の弾性変形を圧力に対する線形な関数とするのに有利である。この線形化は、薄膜１１の変位を圧力値に変換する手段を簡単化するのに役立つ。

当業者に自明である種々の変形及び／又は、改良及び／又は、これらの組合せが、添付した請求項に定められた発明から逸脱することなく、上述した本発明の種々の実施形態に適用できることは容易に理解されよう。例えば、薄膜は別の形状としてもよい。

１ 潜水時計； ２ 下部構造； ５ 表示ユニット； ６ 圧力センサー；
７ ベース； ８ 中間部材； ９ 密閉空洞部； １０ 伝達装置； １１ 薄膜；
１３ 複数の孔； ２１ ケース。

Claims (10)

1. 柔軟な薄膜（１１）を含み、該薄膜（１１）が該薄膜の変形に基づいて加えられた圧力値を示すことが可能な伝達装置（１０）と協働するように構成され、前記薄膜（１１）は、センサーの寸法を最適化できるように、少なくとも部分的にアモルファス合金で製造された圧力センサー（６）であって、
   前記金属合金が、金、プラチナ、パラジウム、レニウム、ルチニウム、ロジウム、銀、イリジウム又はオスニウムを包含するリスト中に含まれた、少なくとも１つの貴金属元素からなることを特徴とするセンサー。
2. 請求項１の圧力センサーであって、前記薄膜（１１）が完全にアモルファス材料から製造されていることを特徴とするセンサー。
3. 請求項１又は２のセンサーであって、前記材料のヤング率に対する弾性限界の比が、０．０１以上であることを特徴とするセンサー。
4. 請求項３のセンサーであって、前記材料のヤング率が、５０ＧＰａ以上であることを特徴とするセンサー。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載のセンサーであって、前記材料がアレルギー原因元素を放出しない、ことを特徴とするセンサー。
6. 請求項１〜５のいずれか１項の圧力センサーであって、前記薄膜（１１）は、円板状であり、またその周辺部において前記センサーに取付けられることを特徴とするセンサー。
7. 請求項１〜６のいずれか１項の圧力センサーであって、前記薄膜（１１）が、変形表面を増やすために、非線形の輪郭形状を有していることを特徴とするセンサー。
8. 請求項７の圧力センサーであって、前記薄膜（１１）の輪郭形状が少なくとも１つの正弦波形状を有することを特徴とするセンサー。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載した圧力センサー（６）を有することを特徴とする時計。
10. 請求項９に記載した時計であって、前記時計に深さ測定機能が達成されるように、前記圧力値を深さに変換する手段を、更に備えていることを特徴とする時計。

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