JP5220803B2 - ダイアフラムを有する圧力センサと同圧力センサを有する深さゲージ - Google Patents

Description

本発明は、圧力センサとこの圧力センサを有する深さゲージに関する。

本発明が対象とする圧力センサは、本体とカバーとダイアフラムと伝達手段とを有する。更に詳細の説明すると、前記本体は、流体が入る圧力チェンバと、前記圧力チェンバを包囲する支持要素とを具備する。前記カバーは、前記本体に固定され、停止ストリップを具備する。前記停止ストリップは、前記支持要素に対応した閉じた外形を有する。前記ダイアフラムは、前記本体と前記カバーとの間に配置されて、前記圧力チェンバを封止し、前記圧力チェンバの２つの表面の間の差圧により湾曲する。前記ダイアフラムの周辺領域は、前記支持要素と停止ストリップの間に配置される。前記伝達手段は、前記ダイアフラムの中央領域に接続されて、前記ダイアフラムの変形量のデータを、測定表示手段に伝達する。

圧力センサにおいて、特にマノメータあるいは深さゲージにおいては、ダイアフラム（膜とも称する）は、弾性変形量を変えるために、同軸のコルゲート形状を具備した金属製のディスクの形態を採る。この種のダイアフラムは、センサに溶接で固定されている（特許文献１）が、溶接でない場合には、特許文献２に開示するようクランプ方式で固定される。しかしこの様なダイアフラムの正確な製造は、極めて複雑で、再現性もあまり高くない。更にダイアフラムが、センサが動作圧力以上の圧力を受けた時に、塑性変形するのを阻止することは、容易ではない。

ドイツ特許出願第１０１４７１２４号明細書 国際公開パンフレット第０１／０１０９８号

平坦なダイアフラムを使用することが望ましいが、この様なダイアフラムを固定する方法には大きな欠点がある。ダイアフラムの周辺領域をセンサの構造体に溶接すると、塑性変形する前の弾性変形量が減少してしまう。その為センサの感度も下がる。更に溶接により各溶接部に様々な硬さが導入されてしまう。その結果、ダイアフラムの変形量が、最終的にセンサの精度を低下させ、更に停止部材を用いてダイアフラムの塑性変形を阻止することが困難となる。ダイアフラムをセンサ構造内に設定することにより、ダイアフラムを固定することは、上記の欠点に繋がる。

上記以外に、ダイアフラムを溶接で固定せず、広いＵ字形状のプロファイルを与え、シール用ガスケットを組み込んだ垂直エッジにより包囲された平坦な形状を提供することもできる。しかし、この場合、ダイアフラムは極めて大きくなり、隆起したエッジはシール用のみに使用され、Ｕ字型のプロファイルの曲げ部分は、流体圧力によるストレスが集中するような領域となる。かくして、塑性変形する前の弾性変形量が制限されることになる。

本発明の目的は、、ダイアフラムは流体圧力で自由に変形し、かつ良好なシールを維持できる簡単な構造の圧力センサを提供することである。本発明の更なる目的は、センサが受ける圧力範囲内で、ダイアフラムの塑性変形のリスクを回避することである。更に、動作圧力においても塑性変形回避することである。本発明の更なる目的は、センサの製造が容易でかつ組立を簡単にすることである。

本発明は、段落０００２で述べた圧力センサーにおいて、前記ダイアフラムは、平坦な形状を有する。前記ダイアフラムの周辺領域は、前記ダイアフラムが、前記圧力チェンバ内の流体圧力の増加により湾曲した時に、前記停止ストリップの上で回転する。前記支持要素は、前記本体に搭載されたシーリングガスケットであり、前記本体と前記ダイアフラムの周辺領域との間で圧縮される。前記周辺領域は、前記停止ストリップに永続的に当たって押しつける。前記シーリングガスケットは、前記停止ストリップに向かい合って配置される。

上記の意味するところは、ダイアフラムの周辺領域は、本体あるいはカバーには溶接あるいは剛性状に固定されておらず、ダイアフラムが自由に曲がるようになることである。

上記の特徴により、本発明のダイアフラムは、周辺領域に溶接あるいは固定によるよりも、所定の圧力に対しより大きな弾性変形が得られる。それ故、中央領域の変形が、増加することにより、測定表示手段への情報の提供が容易となる。剛性のある固定システムを排除することにより、この種の固定システムの変形性により生成される圧力が減少し、圧力センサの精度が向上する。更に平坦でディスク形状のダイアフラムは、簡単かつ安く製造でき、又金属シートを切断して製造できるために、高い精度と再現性が得られる。本発明のダイアフラムと停止ストリップは、円形であり、その結果ダイアフラムの支持力は、停止ストリップの閉鎖形状に沿って常に均一となる。

本発明の一実施例によれば、前記カバーは、前記ダイアフラムに対向して、停止表面を有する。前記停止表面は、前記カバーの中央開口と前記停止ストリップの間に配置される。前記停止表面は、前記ダイアフラムが限界圧力に対応する変形量になる間、前記ダイアフラムを保持するような、形状である。

これにより圧力センサは、最大動作圧力よりもかなり高いテスト圧力にも耐えることができる。かつ極めてフレキシブルな構造のダイアフラムを用いて、高い精度の圧力センサを、ダイアフラムの塑性変形のリスクなしに、提供することができる。

本発明の圧力センサを具備した深さゲージの正面図。 図１の線II-IIに沿った断面図で、本発明の第１実施例を示す図。 図２の領域IIIの拡大図。 本発明の第２実施例を示す図。

図１−３は、深さゲージ１を示す。この深さゲージ１は、ダイバー（潜水者）の手首にストラップで装着される。深さゲージ１は指針２で水深を示す。指針２は、圧力センサ５により、文字版４のスケール３に対向して回転する。圧力センサ５は、深さゲージ１のケース６内に収納される。圧力センサ５は、指針２に、機械的伝達機構特に側面方向に延びたプローブ８を具備する回転軸７で、連結される。深さゲージ１は、ケース内に収納された時計と組み合わせることもできるが、これは、必ずしも本発明の必須事項ではない。

圧力センサ５は、ケースのバックカバー１１に搭載される。このケースは、圧力センサ５の本体を構成する。圧力センサは、バックカバー１１に形成された圧力チェンバ１０の上方に配置され、ケースの外部とオリフィス（図示せず）を介して、連通する。その結果、圧力チェンバ１０内の流体が深さゲージの周囲の圧力にさらされる。圧力センサ５は、平坦で円形状のダイアフラム１２を有する。このダイアフラム１２の周辺領域１３は、バックカバー１１と剛性カバー１４との間に保持される。カバー１４は、ケース６に固定され、中央に開口１５を有する。復帰スプリングが、プローブ８の自由端をスペーサ１６に当てて保持する。スペーサ１６は、ダイアフラム１２の中央領域に固定される。スペーサ１６は、中央開口１５内を垂直方向に移動可能で、かくして回転軸７を回転させる。中央開口１５とダイアフラムの周辺領域１３との間で、カバー１４は、下向きに凹状の底部表面を有する。この底部表面がチェンバ１８を規定する。このチェンバ１８は、ケース６の内側容積と、開口１５を介して連通する。凹状の表面が、停止表面２０を形成し、ダイアフラム１２が所定圧力を超えた差圧にさらされた時に、ダイアフラム１２の過剰な変形を阻止する。ケースの内側容積は、海抜ゼロの大気圧力に近い圧力の空気あるいはガスを収納する。シーリング・ガスケット２１は、好ましくはＯリングのジョイントであるが、ダイアフラム１２の周辺領域１３に押し当てられ、前記内側容積を圧力チェンバ１０から切り離す。Ｏリング・ジョイント２１は、支持要素として機能し、ダイアフラムの周辺領域１３をカバー１４に常に押し当てている。

図３において、Ｏリング・ジョイント２１は、バックカバー１１内の円形状の溝内に収納される。半径方向沿ってに、バックカバー１１は垂直方向エッジ２４を有する。このエッジ２４はカバー１４に当たって接触する。エッジの高さは、Ｏリング・ジョイント２１がダイアフラム１２に予め力を加え、圧力センサの動作圧力範囲に渡って、それらの間のシールを確保できるような高さである。Ｏリング・ジョイント２１を圧縮することにより、ダイアフラムの周辺領域１３を、カバー１４の一部即ち停止ストリップ２５に押し当てる。この停止ストリップ２５は、凹状の停止表面２０のエッジにそって、Ｏリング・ジョイント２１の位置に対向している。停止ストリップ２５は、この実施例では平面状であるが、凸状あるいは鋭角の横方向の形状を有してもよい。ダイアフラムの変形能力に悪影響を及ぼすのを回避するために、支持要素を形成するＯリング・ジョイント２１の位置は、停止ストリップ２５の閉鎖した外形よりも、突出してはならない。

ダイアフラム１２の変形は、圧力センサ５がさらされる圧力の全範囲に渡って弾性変形領域内になければならない。このダイアフラムは好ましくは金属製である。静止状態においては平面状の形状を有するため、製造が容易である。例えばステンレススティール製のシートを切断することにより、容易に形成できる。センサーの他の要素は、Ｏリング・ジョイント２１を除いて、金属製あるいは硬い剛性材料で形成される。

深さゲージ１が水中に沈むと、ダイアフラム１２は、圧力チェンバ１０とチェンバ１８の間の差圧で、弾性変形する。圧力センサ５が、ダイアフラム１２の変形を、スペーサ１６の垂直方向の移動量により、検知する。プローブ８とダイアフラム１２の間に機械的伝達機構を配置して、圧力変動の関数として指針の線形的な動きを生成する。

停止表面２０の形状は、ダイアフラム１２の変形プロファイルに対応し、上記した限界圧力を得るためである。球状のキャップ形状は、製造しやすく、このプロファイルに近づく。このプロファイルは、変形が小さい円形状のダイアフラムにとっては、理論的に放物線の形状をしている。前記の限界圧力は、深さゲージの最大動作圧力よりも若干高いのが好ましい。深さゲージは、最大動作圧力よりもかなり高い最大テスト圧力がかけられるため、停止表面２０の主な役目は、このテスト状態において、ダイアフラムの塑性変形を阻止することである。その理由は、ダイアフラムは、カバー１４により支持され、このカバー１４はダイアフラムよりも遙かに剛性が高いから阻止できるからである。中央開口１５に向かい合ったダイアフラムの中央部分のみが、過剰な曲げを受けるが、さらなる応力は低減され、適宜の寸法で弾性領域内に留めることができる。これらの利点は、圧力センサが過剰な圧力に偶発的にさらされる場合、例えばマノメータがウォーターハンマーにさらされる場合に、備えてである。

ダイアフラムの周辺領域１３は、ダイアフラムを支持する構造体に、溶接もされておらず又固定されていないために、周辺領域１３は、停止ストリップ２５の上で自由に回転し傾斜して、停止表面２０に近づくことができる。図３の構造においては、この移動はＯリング・ジョイント２１の圧縮力を変化させるだけであり、封止に対しては何の影響も及ぼさない。リセス２６が、Ｏリング・ジョイント２１とエッジ２４の間に形成されているので、ダイアフラム１３のエッジが下側に動くことができる。圧力センサ５の組立は特に簡単である。その理由は、カバー１４をケース６内に挿入し、Ｏリング・ジョイント２１を溝２２内に挿入し、ダイアフラム１２をエッジ２４により側面方向に位置決めしてＯリング・ジョイント２１の上に配置し、その後バックカバー１１をケースに固定するだけでよいからである。エッジ２４の高さが、Ｏリング・ジョイント２１に予め掛けた力を、自動的に決定する。

図４に示す本発明の他の実施例によれば、ダイアフラム１２と深さゲージの機構は図１−３の実施例に類似する。異なる点は、Ｏリング・ジョイント２１が、ダイアフラム１２の上部表面に当たって、かくしてカバー１４のサイドに当たって、外側エッジ３１とエッジ３２の間の円形溝３０内に配置される点である。エッジ３２の底部表面が、停止ストリップ２５を形成し、この停止ストリップ２５に、ダイアフラム１２の周辺領域１３が永久に当たって接触する。圧力センサの静止状態においては、ダイアフラム１２は、停止ストリップ２５に、支持要素３４で押しつけられる。この支持要素３４は、圧力チェンバ１０を包囲し、バックカバー１１の一部を形成するか、あるいはバックカバー１１と一体となっている。支持要素３４は、円形のアウトラインを有し、停止ストリップ２５の直径よりも若干小さな直径を有し、予めストレスのかかったダイアフラム１２が、前記停止ストリップ２５に弾性的に当たるようにしている。支持要素３４がダイアフラムにかけるスラスト力が、Ｏリング・ジョイント２１を圧縮し、この実施例ではトーラス形状をしているが、予め加えられたストレスのレベルは、最大動作圧力に必要とされるものよりも高い。この予め加えられたストレスは、バックカバー１１をケース６に固定することにより生成される。

上記の実施例と同様に、図４の構成は、ダイアフラム１２の無制限の変形でも、動作圧力範囲内にあるようになり、ダイアフラムを上記の限界圧力を超えた時に、カバーの停止表面２０を介して支持する。ダイアフラムの周辺領域１３が、停止ストリップ２５の上で回転することは、Ｏリング・ジョイント２１の圧縮力が若干減ることがあるが、封止機能は失われることはない。その理由は、ジョイントに予め高い圧力がかかっているからである。本発明の一変形例においては、Ｏリング・ジョイント２１は、エッジ３２の内側に沿って（図４の左側に）配置され、その結果Ｏリング・ジョイント２１の圧縮は外部圧力により増加するが、ダイアフラムの曲げはＯリング・ジョイント２１による抵抗により若干減少する。

上記したように本発明により、圧力センサ特に深さゲージが、塑性変形のリスクを回避しながら、ダイアフラムの十分な弾性変形の大きさ故に、正確な測定値を提供できる。これは、高い再生産性を持って製造が容易となるダイアフラムでかつ高いシール機能を有して組み立てることができる。

以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。用語「又は」に関して、例えば「Ａ又はＢ」は、「Ａのみ」、「Ｂのみ」ならず、「ＡとＢの両方」を選択することも含む。特に記載のない限り、装置又は手段の数は、単数か複数かを問わない。

１ 深さゲージ
２ 指針
３ スケール
４ 文字板
５ 圧力センサ
６ ケース
７ 回転軸
８ プローブ
１０ 圧力チェンバ
１１ バックカバー
１２ ダイアフラム
１３ 周辺領域
１４ カバー
１５ 中央開口
１６ スペーサ
１８ チェンバ
２０ 停止表面
２１ Ｏリング・ジョイント
２２ 溝
２４ エッジ
２５ 停止ストリップ
２６ リセス
３２ エッジ
３４ 支持要素

Claims (8)

1. （Ａ）本体（１１）と、
   前記本体（１１）は、流体が入る圧力チェンバ（１０）と、前記圧力チェンバ（１０）を包囲する支持要素（２１，３４）とを具備し、
   （Ｂ）カバー（１４）と、
   前記カバー（１４）は、前記本体（１１）に固定され、
   前記カバー（１４）は、停止ストリップ（２５）を具備し、
   前記停止ストリップ（２５）は、前記支持要素（２１，３４）に対応した閉じた外形を有し、
   （Ｃ）ダイアフラム（１２）と、
   前記ダイアフラム（１２）は、前記本体（１１）と前記カバー（１４）との間に配置されて、前記圧力チェンバ（１０）を封止し、前記圧力チェンバ（１０）の２つの表面の間の差圧により湾曲し、
   前記ダイアフラム（１２）の周辺領域（１３）は、前記支持要素（２１，３４）と停止ストリップ（２５）の間に配置され、
   （Ｄ）伝達手段（７，８，１６）と、
   前記伝達手段（７，８，１６）は、前記ダイアフラムの中央領域に接続されて、前記ダイアフラムの変形量のデータを、測定表示手段（２）に伝達し、
   を有し、
   前記ダイアフラム（１２）は、平坦な形状を有し、
   前記ダイアフラム（１２）の周辺領域（１３）は、前記ダイアフラムが、前記圧力チェンバ（１０）内の流体圧力の増加により湾曲した時に、前記停止ストリップ（２５）の上で移動し、
   前記支持要素（２１，３４）は、前記本体（１１）に搭載されたシーリングガスケット（２１）であり、前記本体（１１）と前記ダイアフラムの周辺領域（１３）との間で圧縮されて、前記周辺領域は、前記停止ストリップ（２５）に永続的に当たって押しつけ、
   前記シーリングガスケット（２１）は、前記停止ストリップ（２５）に向かい合って配置される
   ことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記ダイアフラム（１２）と停止ストリップ（２５）は、円形である
   ことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
3. 前記ダイアフラム（１２）は、平坦な金属製ディスクで形成される
   ことを特徴とする請求項２記載の圧力センサ。
4. 前記カバー（１４）は、前記ダイアフラム（１２）に対向して、停止表面（２０）を有し、
   前記停止表面（２０）は、前記カバー（１４）の中央開口（１５）と前記停止ストリップ（２５）の間に配置され、
   前記停止表面（２０）は、前記ダイアフラム（１２）が限界圧力に対応する変形量になる間、前記ダイアフラムを保持するような、形状である
   ことを特徴とする請求項１−３のいずれかに記載の圧力センサ。
5. 前記停止表面（２０）は、球状キャップの形状を有する
   ことを特徴とする請求項４記載の圧力センサ。
6. 前記支持要素（３４）は、剛性であり、
   前記シーリングガスケット（２１）が、前記ダイアフラムの周辺領域（１３）と停止ストリップ（２５）の隣のカバー（１４）の間に、圧縮して配置される
   ことを特徴とする請求項１−５のいずれかに記載の圧力センサ。
7. 請求項１−６のいずれかに記載の圧力センサ（５）を有するケース（６）を有する深さゲージ。
8. 前記圧力センサの本体は、前記ケース（６）のバックカバー（１１）で形成される
   ことを特徴とする請求項７記載の深さゲージ。
   
   

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