JP6077211B2 - センサ膜 - Google Patents

Description

本発明は、主クレームの導入部分によると、とりわけ圧力又は力センサに使用されるセンサ膜であって、このセンサ膜は、外縁部及び内縁部によって区切られており、外縁部と内縁部との間に少なくとも１つの弾性領域を含み、弾性領域は最も薄い部分を有しており、弾性領域の材料厚みが、この最も薄い部分の両側で徐々に増大する、センサ膜に関するものである。

そのような膜は、主に圧力又は力センサにおいて使用される。この膜は、外界に対してセンサ内部を封止し、両面間の圧力差に耐える必要がある。通常、膜は軸対称である。膜は、外縁部及び内縁部によって区切られた弾性領域を含む。外縁部は、耐圧態様でセンサ・ハウジングに接続されるが、内縁部は、耐圧態様で可動プランジャに移行し、その偏位は、センサ・ハウジング内の測定要素によって検出されることができる。

基本的には、様々な種類の膜が、例えば、ドラム、スピーカー、マイクロホン、又は他の技術的な適用例において使用される。これらの膜は、平面の又はエンボス加工されたタイル又はフィルムから成る。通常、これらの膜は、気密性がなく、数ｂａｒの圧力に耐えられない。これらの膜は、音波に関連して使用されることが多い。したがって、これらの膜は、高圧力の荷重を受けることはない。数センチメートル又はさらには数十センチメートル（数デシメートル）の直径のこのような膜は、大きく偏位することだけは可能でなければならない。これは、例えば、弾性領域の複数の波形構造によって達成される。波形構造は、良好な弾性につながる。しかし、これらの領域内の材料厚みは、常に一定である。

同様に、基本的には、様々なセンサ膜が、油充填圧力センサによって知られている。そのような膜は、軟質金属から形成されることが多く、表面に波形構造を有する。しかし、本明細書で説明される膜とは異なり、それらの膜は、発生する圧力と同じレベルの逆圧が膜の内側に常に作用するので、どんな圧力差にも耐える必要があるわけではない。

多くの圧力又は力センサの膜の材料厚みは、弾性領域のほぼ中央で最小値となり、その最小値の両側で徐々に増大する。この種類の膜は、例えば、ＣＨ６７０３１０において知られる。断面を見ると、弾性領域は両面側で凹形形状となっている。他の適用例では、平面−凹形形状となっている。

このように材料厚みが低減されていることによって、膜は弾性を有する。通常、膜は金属から形成されている。最小材料厚みが低減するにつれて膜の強度は低減するが、この場合には弾性は増大する。最小材料厚みが増大する場合には、状況はその反対となる。結果として、耐荷重能力及び弾性は、互いに関連しあう。したがって、例えば、材料厚みを大きくすることによって強度が増大すると、同時に、膜の弾性は低減する。弾性は、設定感度の増大につながる。

圧力又は力センサに使用される他の膜は、弾性領域において、一様に薄肉であり、一定の材料厚みを有する。同時に、この薄い領域は、平面、曲面、又は多重曲面とすることが可能である。そのような膜は、安価であり、多くの適用例において使用される。しかし、強度と弾性との間の関係に関して、それらの膜の品質は、最も薄い部分を有し膜厚が両側で増大する膜の品質よりも極めて低い。したがって、そのような膜は軽視される。

様々な形態の膜を有する圧力センサが、米国特許出願第２００４／０２３１４２５号明細書に提供される。これらの膜の材料厚みは、通常は一様な厚みであるか、又は、弾性領域の中央で最大値を有する。そのような膜は、主に高温の適用例に使用される。これらの膜の目的は、材料の伸びによる測定誤差を低減することである。

圧力変換器内に熱補償効果を有する別の膜構造が、ＥＰ６４９０１１により知られる。これは、２つの平形−凹形形状の弾性の領域によって特徴づけられる。これらの領域の間で、膜は、一様な材料厚みを有するように構成され、プランジャに対してわずかに後退している。

そのような膜は、センサ内の膜の背後に、圧力を受けない空洞があるので、膜が高い圧力又は力を受けると弱いことがわかった。高圧条件下に適用され、大きい力を受けると、そのような膜内において膜の破断が度々起こる。

ＣＨ６７０３１０ 米国特許出願第２００４／０２３１４２５号明細書 ＥＰ６４９０１１

本発明の目的は、上記に説明した圧力又は力センサのセンサ膜を提供することである。このセンサ膜は、同じ弾性に対する強度が増大しているので、より高い圧力差において使用することができる。

この目的は、独立請求項の特徴部分によって達成される。

本発明の基礎を形成する思想は、弾性領域の膜の断面が、弧の方向に対して凸形外側形状及び凹形内側形状を有する弧形状を形成するというところにある。

弾性領域において、両面に形成された弧がこのように同じ方向を向く断面形状を有することによって、膜の高荷重能力が確保されることがわかった。それに加えて、弾性領域の材料厚みが、最小値まで連続的に徐々に低減し、次いで再び連続的に増大することが、膜の高弾性にとって重要である。

複数の弾性領域を、外縁部と内縁部との間に配置することもできる。その際に、これらの弾性領域は、最も薄い部分において同じ厚みとなるように構成される。その結果、膜としての効果が生じる。したがって、増大した荷重に耐えるため、全弾性領域は、本発明に対応して構成する必要がある。本発明では、最も薄い部分が同じ厚みとなるように構成される。１つの弾性領域が、本発明による態様で弧形状に構成されていないとすれば、膜全体が、この部分と同じ程度に弱く、低荷重で既に破断してしまっているであろう。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

圧力感知測定要素を含む、先行技術によるセンサの概略断面図である。 光測定要素を含む、先行技術によるセンサの概略断面図である。 圧力感知測定要素を含む、本発明によるセンサの概略断面図である。 光測定要素を含む、本発明によるセンサの概略断面図である。 圧力感知測定要素を含む、本発明による別のセンサの概略断面図である。 光測定要素を含む、本発明による別のセンサの概略断面図である。 本発明による別のセンサの部分概略断面図である。 本発明による膜の弾性領域の部分断面図である。 様々な膜形状における耐荷重能力と弾性との概略的関係を示すグラフである。

参照番号は、全ての図面で維持される。

図１及び図２は、それぞれ、先行技術によるセンサ１の概略断面図を示す。それぞれの場合において、センサ１は、内部に測定要素８が配置されたハウジング６を含む。ハウジング６は、測定中に外部からの力又は圧力を受ける膜２によって封止される。通常、膜２は円形である。膜２は、その中央にプランジャ７を有する。プランジャ７の偏位は、測定要素８によって検出することができる。

図１において、測定要素８は、圧電材料又は圧電抵抗材料から作られた物体である。測定要素８は、その背面をハウジング６上で直接的又は間接的に支持されている。そして、測定要素８は、膜２からそれに作用する力を測定することができる。

図２において、測定要素８は、膜２の偏位を測定することができる光ファイバである。光は、光ファイバから膜２に向かって放射され、膜２で反射され、再びファイバによって受け取られ、次いで伝送された距離に基づいて評価システム内で評価される。

それぞれの場合において、膜２は、外縁部４及び内縁部５によって区切られた弾性領域３を含む。外縁部４は、耐圧態様でセンサ・ハウジング６に接続され、内縁部５は、耐圧態様で可動プランジャ７に移行する。この弾性領域３は、測定中に外部から膜２に作用する荷重に耐える必要がある。したがって、弾性領域３は、付加される荷重のもとで、断裂することも塑性変形を受けることもないようにする必要があり、可能な限り低い二次的な力を発生させる必要もある。ここで図示された膜２は、断面で見たとき、弾性領域において両面が凹面状になるように構成されている。弾性領域は材料厚みｄを有する。材料厚みｄは、中央で最小となり、両側で増大する。平面−凹形構成も知られている。

代替例として、ＣＨ６７０３１０に示されるように、プランジャは環状に構成されてもよい。この場合、膜は、環状部の内側及び外側にそれぞれ弾性領域を含む。この場合、膜の中央領域は、外縁部と同じように耐圧態様でハウジングに接続される。

図９は、膜２の耐荷重能力と弾性との関係を示す。耐荷重能力の限界は、膜の破断若しくは断裂及び／又はその塑性変形によって決定することができる。それぞれの場合において、これは、センサの破壊を意味する。

先行技術による従来の膜２の挙動曲線１２においては、耐荷重能力と弾性との間の強い関係が示されている。膜の最小厚みｄ_１がどれくらいの厚みになるように構成されるかによって、耐荷重能力及び弾性は、互いに増大するか、又は逆に低減する。従来の技術では、この曲線から逸脱し、それによって、同じ弾性に対してより高い耐荷重能力を有する、より良い膜を形成することは可能でない。

しかし、本発明によって膜が構成されれば、まさにこのことが可能である。そのような本発明の膜２は、同じ弾性に対してより高い耐荷重能力を有する。したがって、本発明の膜２の弾性と耐荷重能力との関係を示す挙動曲線１３は、より高い耐荷重能力に向かって移動する。

そのような本発明の膜２が、図３〜図６に示されている。図３及び図５は、圧電又は圧電抵抗の測定要素８を用いた設計を示す。図４及び図６は、光測定要素８を用いた設計を示す。さらに、ハウジング６及びその上に堅固に取り付けられた膜２を含む基本構造は、図１及び図２の従来の構造に一致する。

環状のプランジャを使用することが示された代替例の構成も、本発明のセンサ膜の構成に適用される。

図３〜図６の本発明の膜２において、弾性領域３の材料厚みｄ_１は、中央において再度最小になり、両側に向かって厚くなる。凹形−凹形形状の断面の代わりに、本発明の膜２の断面の形状は、凸形−凹形となっており、したがって、弧形状を示している。この弧は、凸形外側形状１０及び凹形内側形状１１を有する。さらに、用語「内側」及び「外側」は、弧形状の方向に関係し、センサ・ハウジングの外側又は内側には関係ない。したがって、弧は、膜２の平面から外側に曲がっている。ここで、凹形−凸形は、凸形−凹形と同じでないことに留意されたい。特許請求されていない凸形−凹形形状の場合、２つの曲率半径のうちの小さい方ｒ_１が、弧の内側にある。この弧は、ほぼ中央に最も薄い材料厚みｄ_１を有し、外側に向かってより厚くなる。凹形−凸形形状の場合、状況はその反対となる。２つの曲率半径のうちの小さい方は、弧の外側にある。その結果、弧は、中央で最も厚くなり、外側に向かって連続的に薄くなる。そのような形状は、膜２の弾性領域３にとって有利にはならず、したがって、特許請求されていない。

図８は、本発明の膜２の弾性領域３を示す。この領域の中央において、最も薄い材料厚みｄ_１となっている。弾性領域３の形状１０、１１の一方又は両方は、円弧によって少なくとも部分的に画定されるのが好ましい。図８において、凸形形状の外側半径は、ｒ_ａによって定められ、凹形形状の内側半径は、ｒ_ｉによって定められている。この場合、ｒ_ａが、ｒ_ｉよりも極めて大きいのは明らかである。仮に、外側及び／又は内側形状が円の半径を描かなかったとしても、弾性領域３の最も薄い部分において、それぞれの曲率半径にも同様のことが当てはまる。

例えば、弾性領域３の凹弧側１１は、０．１〜２．５ｍｍの曲率半径ｒ_ｉを有するが、弾性領域３の凸弧側１０は、０．５〜５ｍｍの曲率半径ｒ_ａを有する。

材料厚みは、膜２の縁部に向かって増大する。本発明によると、弧９の縁部における材料厚みｄ_２は、中央材料厚みｄ_１の少なくとも１．３倍の大きさである。弧９の縁部における材料厚みｄ_２がｄ_１の１．５〜２倍の大きさであることによって、極めて良好な結果が達成される。これらの関係によって、荷重下において局所的な最大応力を受けることなく、荷重下において膜２に一様な応力場が生じることが確保される。その結果、同じ弾性に対する耐荷重能力は増大する。

したがって、本発明の膜２は、小さい最小材料厚みｄ_１であっても、少なくとも１０ｂａｒ平均の圧力差に耐えることができる。しかし、本発明の膜は、圧力センサ、特に、燃焼室内などの高圧センサに使用されるのが好ましい。そのような適用例においては、１０，０００ｂａｒの圧力荷重に耐える必要がある。

そのような適用例においては、その弾性領域３の最も薄い材料厚みｄ_１が０．０２〜１ｍｍである膜２によって、良好な結果が達成される。

膜の弾性にとって、弧９が外側又は内側のいずれを向くかは重要でないことが、調査によってわかった。両構成とも良好な結果を達成した。耐荷重能力に関しては、外側を向く弧が、より有利である。他方、空間的理由により、内側に構成される弧を有する膜が、好ましい場合もある。

膜２を改善する別法として、図７に示される通り、本発明の弾性領域３を２つ互いに隣接させて配置することもできる。さらなる弾性領域３の追加によって、改善はされなかった。したがって、ちょうど１つ又はちょうど２つの弾性領域３が推奨されるのは明らかである。さらなる弾性領域は、その最も薄い材料厚みが第１の弾性領域の材料厚みと同様の厚みであるならば、単にそのようなものとして作用し、したがって、単に実際の弾性領域であると考えることができる。

本発明によると、膜２は、金属、ガラス、セラミック、サファイア若しくは石英などの単結晶、又はガラス状合金から形成されることが好ましい。

１ センサ
２ センサ膜、膜
３ 弾性領域
４ 外縁部
５ 内縁部
６ センサ・ハウジング、ハウジング
７ プランジャ
８ 測定要素
９ 弧
１０ 凸状、断面における弧の外側形状
１１ 凹状、断面における弧の内側形状
１２ 従来の膜の挙動曲線
１３ 本発明の膜の挙動曲線
Ｂ 耐荷重能力
Ｄ 膜の最も薄い部分
Ｅ 弾性
ｄ 膜の材料厚み
ｄ_１ 弾性領域の中央の材料厚み
ｄ_２ 弧の縁部の材料厚み
ｒ_ｉ 弧の凹形内側形状の半径
ｒ_ａ 弧の凸形外側形状の半径

Claims (14)

1. 圧力又は力センサ（１）に使用されるセンサ膜であって、前記センサ膜は、外縁部（４）及び内縁部（５）によって区切られており、前記外縁部（４）は、耐圧態様でセンサ・ハウジング（６）に接続され、前記内縁部（５）は、耐圧態様で可動プランジャ（７）に移行しており、前記センサ膜の偏位は、前記センサ・ハウジング（６）内の測定要素（８）によって検出されることができ、前記センサ膜は、前記外縁部（４）と前記内縁部（５）との間に１つ又は複数の弾性領域（３）を含み、それぞれの前記弾性領域（３）はその中央に最も薄い単一の点（Ｄ）を有しており、前記弾性領域（３）の材料厚み（ｄ）が、この最も薄い点（Ｄ）の両側で徐々に増大する、センサ膜において、
   それぞれの弾性領域（３）の膜の断面が、弧の方向に対して凸形外側形状（１０）及び凹形内側形状（１１）を有する弧形状（９）を含むことを特徴とする、センサ膜。
2. 前記弾性領域（３）の１つ又は両方の形状（１０、１１）が、少なくとも部分的に円弧によって画定されることを特徴とする、請求項１に記載されたセンサ膜。
3. 前記弧（９）の前記縁部における材料厚み（ｄ２）が、中央における材料厚み（ｄ１）の少なくとも１．３倍の大きさであることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載されたセンサ膜。
4. 少なくとも１０ｂａｒの圧力差に耐えることができることを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載されたセンサ膜。
5. 前記弾性領域（３）の前記凹形弧側（１１）は、０．１〜２．５ｍｍの曲率半径を有することを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載されたセンサ膜。
6. 前記弾性領域（３）の前記凸形弧側（１０）は、０．５〜５ｍｍの曲率半径を有することを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載されたセンサ膜。
7. 前記弾性領域（３）の最も薄い材料厚み（ｄ１）が、０．０２〜１ｍｍであることを特徴とする、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載されたセンサ膜。
8. 前記弧（９）は、外側を向いていることを特徴とする、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載されたセンサ膜。
9. 前記弧（９）は、内側を向いていることを特徴とする、請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載されたセンサ膜。
10. 前記内縁部（５）と前記外縁部（４）との間の前記センサ膜は、ちょうど１つ又はちょうど２つの弾性領域（３）を含み、前記弾性領域（３）は、１つの凸形外側形状（４）及び１つの凹形内側形状（１１）をそれぞれ有する、ことを特徴とする、請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載されたセンサ膜。
11. 前記センサ膜は、金属、ガラス、セラミック、結晶、又はガラス状合金から形成されることを特徴とする、請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載されたセンサ膜。
12. 請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載されたセンサ膜を含むセンサ。
13. 前記センサは、圧力センサ、高圧センサ及び／又は燃焼室圧力センサであることを特徴とする、請求項１２に記載されたセンサ。
14. 前記センサは、圧電センサ、圧電抵抗センサ、又は光センサであることを特徴とする、請求項１２又は請求項１３に記載されたセンサ。

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